Bài giảng lập trình hệ điều hành chương 3 tiến trình và luồng

• Hệ điều hành có thể thực thi nhiều dạng chương trình:o Hệ thống bó batch system – jobs o Hệ thống chia thời gian – chương trình người dùng user program hay tác vụ task • Tiến trình - l

Khoa Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông

Đại học Cần Thơ

Giảng viên: Hà Duy An

1 Các khái niệm

2 Định thời biểu tiến trình

3 Các thao tác với tiến trình

4 Giao tiếp giữa các tiến trình

• Hệ điều hành có thể thực thi nhiều dạng chương trình:

o Hệ thống bó (batch system) – jobs

o Hệ thống chia thời gian – chương trình người dùng (user program) hay tác vụ (task)

• Tiến trình - là một chương trình đang thực thi Sự thực thi của

tiến trình diễn ra theo cách thức tuần tự.

• Một tiến trình bao gồm:

o Mã chương chương trình (program code hay text section)

o Bộ đếm chương trình (program counter)

o Ngăn xếp (stack) – chứa các dữ liệu tạm thời

• Các tham số của hàm, địa chỉ trở về, biến cục bộ

o Phần dữ liệu (data section) - chứa các biến toàn cục

o Heap – bộ nhớ động, được cấp phát trong suốt thời gian thực thi

hoạt qua thao tác nhấp chuột,

nhập tên vào CLI, …

o Một chương trình có thể có vài

tiến trình

• Tiến trình có thể có các trạng thái sau:

o new: quá trình đang được khởi tạo.

o running: các chỉ thị của quá trình đang được thực thi.

o waiting: quá trình đang chờ đợi một sự kiện nào đó xảy

ra (hoàn thành xuất/nhập, chờ đợi một tín hiệu).

o ready: quá trình đang đợi để được sử dụng CPU.

o terminated: quá trình đã kết thúc.

8/22/2013 8 Chương 3: Tiến Trình

• Thông tin kết hợp với mỗi quá trình:

o Trạng thái của quá trình

o Bộ đếm chương trình

o Các thanh ghi

o Thông tin về định thời sử dụng CPU

o Thông tin về quản lý bộ nhớ

o Thông tin về chi phí

o Thông tin về trạng thái nhập/xuất

8/22/2013 10 Chương 3: Tiến Trình

• Nhằm tối ưu hóa việc sử dụng CPU, các tiến thay phiên nhau

sử dụng CPU

• Bộ định thời tiến trình (Process scheduler) chọn lựa một tiến

trình có thể thực thi để cấp phát CPU cho tiến trình đó

8/22/2013 14 Chương 3: Tiến Trình

• Bộ định thời dài kỳ (Long-term scheduler/job scheduler) – chọn quátrình nào sẽ được đặt vào hàng đợi sẵn sàng (nạp vào bộ nhớ).

• Bộ định thời ngắn kỳ (Short-term scheduler/CPU scheduler) –chọn

ra quá trình sẽ được thực thi kế tiếp và cấp CPU cho nó

• Bộ định thời ngắn kỳ được gọi rất thường xuyên (milliseconds) =>cần phải nhanh

• Bộ định thời dài kỳ được gọi không thường xuyên hơn (seconds,minutes) => có thể chậm

• Bộ định thời dài kỳ khống chế mức độ đa chương của hệ thống

• Các tiến trình có thể là:

o Tiến trình hướng xử lý: cần nhiều tính toán hơn nhập xuất

o Tiến trình hướng nhập xuất: cần nhiều nhập xuất hơn tính toán

• Bộ định thời dài kỳ cố gắng điều hòa giữa các tiến trình này

• Bộ định thời trung kỳ (Medium-term scheduling) – làm giảm mức độ đa chương của hệ thống

o Di chuyển các tiến tình ra khỏi bộ nhớ, lưu trữ trên đĩa, sau đó

mang vào bộ nhớ để tiếp tục thực thi: swapping

• Chuyển ngữ cảnh (context switch): Khi CPU chuyển sang phục vụ

tiến trình khác, hệ thống phải ghi lại trạng thái của tiến trình cũ vànạp trạng thái được lưu trước đó của tiến trình mới

• “Ngữ cảnh” của một tiến trình được xác định thông qua các thông

tin trong PCB

• Thời gian chuyển ngữ cảnh là một phí tổn, vì hệ thống không làm gìhữu ích khi thực hiện chuyển ngữ cảnh

o HĐH và PCB càng phức tạp => thời gian chuyển ngũ cảnh càng dài

• Thời gian chuyển ngữ cảnh phụ thuộc nhiều vào sự hỗ trợ của phầncứng

o Vài hệ thống cung cấp nhiều tổ hợp các thanh ghi trên mỗi CPU=> nhiều “ngữ cảnh” được nạp vào cùng lúc

• Quá trình cha tạo ra quá trình con, đến lượt quá trình con này lại tạo ra những quá trình khác, tạo nên cây quá trình.

thông qua PID (Process identifier)

o Quá trình cha và con chia sẻ tất cả tài nguyên

o Quá trình con chia sẻ một phần tài nguyên của quá trình cha

o Quá trình cha và con không chia sẻ tài nguyên nào cả

o Quá trình cha và con thực thi đồng thời

o Quá trình cha đợi đến khi quá trình con hoàn thành

8/22/2013 20 Chương 3: Tiến Trình

init pid = 1

sshd pid = 3028

login pid = 8415

kthreadd pid = 2

sshd pid = 3610 pdflush

pid = 200

khelper pid = 6

tcsch pid = 4005 emacs

pid = 9204

bash pid = 8416

ps

pid = 9298

• Không gian địa chỉ:

o Quá trình con sao chép không gian địa chỉ của quá trình cha(cùng chương trình và dữ liệu)

o Quá trình con tự nạp chương trình riêng của nó

o fork() –là lời gọi hệ thống dùng tạo quá trình mới

o exec() –là lời gọi hệ thống được sử dụng sau fork() để thay thế

không gian địa chỉ của quá trình bằng một chương trình mới

8/22/2013 22 Chương 3: Tiến Trình

• Quá trình thực hiện câu lệnh cuối cùng và yêu cầu HĐH xóa nó(dùng exit).

o Xuất dữ liệu từ quá trình con lên quá trình cha (wait()).

pid_t pid; int status;

pid=wait(&status);

o Tài nguyên của quá trình bị thu hồi lại bởi hệ điều hành.

• Quá trình cha có thể kết thúc sự thực thi của quá trình con (abort()).

o Quá trình con đã vượt quá số tài nguyên được cấp.

o Công việc giao cho quá trình con nay không còn cần thiết nữa.

o Quá trình cha đang thoát.

• Vài hệ điều hành không cho phép quá trình con tiếp tục thực thi khi quá trình cha kết thúc => Sự kết thúc hàng loạt các quá trình con (cascading termination)

• Nếu tiến trình cha chưa gọi wait() => tiến trình con vừa kết thúc trở

thành một zombie

• Nếu tiến trình cha kết thúc trước => tiến trình con mồ coi (orphan)

• Nếu các trình duyệt web thực thi dạng đơn tiến trình => nếu một web site bị lỗi, toàn bộ trình duyệt bị treo hay đổ vỡ

• Google Chrome Brower thực thi dạng đa tiến trình, phân ra làm 3 nhóm:

o Browser: tiến trình quản lý giao diện người dùng, xuât/nhập đĩa

và mạng

o Renderer: xử lý hiển thị các trang web (HTML, JavaScript, …)

mỗi tiến trình cho một trang web

o Plug-in: một tiến trình cho mỗi loại plug-in

• Các tiến trình trong hệ thống có thể độc lập hay hợp tác

• Tiến trình độc lập không thể gây ảnh hưởng hay bị ảnh hưởng bởicác tiến trình khác

• Tiến trình hợp tác có thể gây ảnh hưởng hay bị ảnh hưởng bởi cáctiến trình khác

8/22/2013 28 Chương 3: Tiến Trình

• Bài toán điển hình minh họa cho sự hợp tác giữa các tiến trình – tiến trình Nhà sản xuất sinh ra dữ liệu được sử dụng bởi tiến trình Người tiêu thụ

• Giải quyết bài toán với cơ chế bộ nhớ chia sẽ - 2 tiến trình sử dụng một vùng nhớ dùng chung (buffer), tiến trình Người sản xuất ghi dữ liệu lên buffer, tiến trình Người tiêu thụ lấy dữ liệu

từ buffer

• 2 loại buffer:

o unbounded-buffer: kích thước không giới hạn

o bounded-buffer: kích thước giới hạn

• Dữ liệu chia sẽ:

#define BUFFER_SIZE 10 typedef struct {

} item;

item buffer[BUFFER_SIZE];

int in = 0;

int out = 0;

item next_consumed;

while(true){

while(in == out); /* do nothing */

next_consumed = buffer[out];

out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;

/* consume the item in next consumed */ }

• Cung cấp cơ chế giao tiếp giữa các tiến trình không cần dụng

bộ nhớ chia sẽ => hữu ích trong môi trường phân tán, các tiến trình giao tiếp với nhau qua mạng

• Cần hai thao tác:

o send(message) – kích thước thông điệp cố định hay biến đổi

o receive(message)

• Tiến trình P và Q nếu muốn giao tiếp với nhau:

o Tạo một communication link

o Trao đổi thông điệp thông qua send/receive

• Phương thức cài đặt communication link (mức luận lý):

o Trực tiếp - gián tiếp

o Đồng bộ - bất đồng bộ

o Kiểu Buffer

• Tạo communication link như thế nào?

• Có thể dùng một communication link cho nhiều tiến trình?

• Có bao nhiêu liên kết có thể tạo giữa hai tiến trình?

• Khả năng của một liên kết?

• Kích thước của thông điệp cố định hay thay đổi?

• Liên kết là một hướng hay 2 hướng?

• Các tiến trình phải xác định rõ ràng tên của tiến trình nhận hay gửi dữ liệu khác

o send(P, message) – gửi một thông điệp đến tiến trình P

o receive(Q, message)– nhận một thông điệp từ tiến trìnhQ

• Các thuộc tính của communication link:

o Các liên kết được tạo ra tự động

o Một liên kết tương ứng chỉ có 2 tiến trình thực hiện giao tiếp trênnó

o Giữa mỗi cặp tiến trình chỉ tồn tại duy nhất một liên kết

o Liên kết có thể là một hướng, nhưng thường là hai hướng

• Các thông điệp gửi đến và nhận từ các mailbox hay port

o Mỗi mailbox có một số nhận dạng duy nhất

o Các tiến trình có thể giao tiếp với nhau khi chúng chia sẽ cùngmột mailbox

• Các thuộc tính của communication link:

o Liên kết được tạo ra khi các tiến trình chia sẽ cùng một mailbox

o Một liên kết có thể liên kết với nhiều tiến trình

o Mỗi cặp tiến trình có thể cùng chia sẽ vài cummunication link

o Liên kết có thể một hay hai hướng

• HĐH cung cấp cơ chế:

o Tạo một mailbox

o Gửi và nhận thông điệp thông qua mailbox

o Hủy một mailbox

• Phương thức gửi và nhận một thông điệp:

o send(A, message) – gửi một thông điệp đến mailbox A

o receive(A, message) – nhận một thông điệp từ mailboxA

• Chia sẽ mailbox:

o P1, P2, và P3 chia sẽ cùng một mailbox A

o P1 gửi; P2 hay P3 nhận???

• Giải pháp:

o Một liên kết chỉ tương ứng với 2 tiến trình

o Chỉ một tiến trình tại một thời điểm thực hiện thao tác nhận

o HĐH chỉ định tiến trình nhận, và thông báo cho tiến trình gửibiết người nhận

• Truyền thông điệp có thể nghẽn (blocking) hay không nghẽn (non-blocking)

• Các thông điệp nằm trong hàng đợi tạm thời (buffer), 3 cách cài đặt:

o Zero capacity – không có thông điệp nào nằm trong hàng đợi(sender chờ cho đến khi thông điệp được nhận)

o Bounded capacity – kích thước buffer là giới hạn (sender phảichờ khi buffer đầy)

o Unbounded capacity – kích thước buffer không giới hạn

1 Giới thiệu về Luồng (Thread)

2 Lập trình trên vi xử lý đa nhân

3 Mô hình đa luồng

• Hầu hết các chương trình ứng dụng hiện đại là đa luồng (Multithread)

• Một ứng dụng có nhiều tác vụ => mỗi tác vụ được cài đặt như một luồng:

o Cập nhật hiển thị

o Lấy dữ liệu

o Kiểm tra chính tả

o Trả lời các kết nối mạng,…

• Tạo một tiến trình cần nhiều chi phí hơn tạo ra một luồng

• Việc lập trình đơn giản hơn, hiệu quả hơn

• Nhân của nhiều HĐH ngày nay là đa luồng

8/22/2013 46 Chương 3: Tiến Trình

• Tăng khả năng đáp ứng

• Chia sẽ tài nguyên dễ dàng

• Ít hao tốn tài nguyên hệ thống hơn

• Tận dụng được khả năng trên các hệ thống có nhiều bộ xử lý

8/22/2013 Chương 3: Tiến Trình

48

• Các hệ thống Multicore hay Multiprocessor giúp tăng năng lực

xử lý cho hệ thống, đồng thời phát sinh ra nhiều vấn đề trong việc thiết kế và phát triển chương trình:

o Phân chia tác vụ

o Cân bằng

o Phân chia và chia sẽ dữ liệu

o Kiểm lỗi

• Song song (Parallelism) khác với đồng thời (Concurrency)

• Hai kiểu song song:

o Dữ liệu – phân phối dữ liệu cùng kiểu, tác vụ xử lý giống nhau

o Tác vụ - tác vụ xử lý khác nhau, dữ liệu có thể giống hoặc khácnhau

• Xử lý đồng thời trên hệ thống đơn nhân:

• Xử lý song song trên hệ thống đa nhân:

• User threads – cài đặt luồng ở mức người dùng

• Kernel threads – được hỗ trợ bởi nhân (kernel)

• Hầu như tất cả các hệ điều hành đa mục đích hiện nay điều hỗ trợ kernel threads (Windows, Linux, MacOS X, and Solaris)

• Liên hệ giữa User threads và kernel threads:

o Many to One

o One to One

o Many to Many

• Nhiều user thread – một kernel thread

• Vấn đề:

o Một luồng nghẽn => toàn tiến trình nghẽn

o Chỉ một luồng có thể chạy ở

mức nhân tại một thời điểm

nhất định => không hiệu quả

trên hệ thống multicore

o Rất ít hệ thống dùng mô hình này

• Mỗi user thread – một kernel thread

• Hiệu quả hơn trên hệ thống multicore

• Nhiều user thread - số lượng kernel thread bằng hay ít hơn

• HĐH tạo môt số lượng kernel thread đủ dùng

• Thread library cung cấp API cho lập trình viên tạo và quản lý luồng

• Có 2 cách cài đặt:

o Mức người dùng

o Mức nhân – được hỗ trợ bởi HĐH

• Các thread library được dùng phổ biến: POSIX Pthreads, Windows, Java