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Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Processi
3.2 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Outline
Concetto di processo
Stato di un processo
Scheduling dei processi
Cambio di contesto
Operazioni sui processi
Comunicazioni tra processi
Memoria condivisa
Scambio di messaggi
Comunicazione fra processi remoti
3.3 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Outline
Concetto di processo
Stato di un processo
Scheduling dei processi
Cambio di contesto
Operazioni sui processi
Comunicazioni tra processi
Memoria condivisa
Scambio di messaggi
Comunicazione fra processi remoti
3.4 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Definizione di processo - 1
Un SO esegue programmi di varia natura: Sistemi batch: job Sistemi time-sharing: processi utente o task
Normalmente si utilizzano i termini job o processo in maniera Intercambiabile
Processo è un programma in esecuzione L’esecuzione di un processo deve avvenire in modo sequenziale
I programmi sono passivi, i processi attivi I programmi diventano processi quando il loro file eseguibile viene caricato in memoria
3.5 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Definizione di processo - 2
Un processo include: Una sezione di testo (il codice del programma da
eseguire) Una sezione dati (variabili globali) Uno heap (letteralmente mucchio, grande quantità -
memoria dinamicamente allocata durante l’esecuzione del task)
Lo stack (dati temporanei -parametri per i sottoprogrammi, indirizzi di rientro - e variabili locali)
Il program counter Il contenuto dei registri della CPU
3.6 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Stato di un processo
Mentre viene eseguito, un processo è soggetto a transizioni di stato, definite in parte dall’attività corrente del processo ed in parte da eventi esterni, asincroni rispetto alla sua esecuzione:
Nuovo (new): Il processo è creato
Esecuzione (running): Le istruzioni di un processo sono eseguite
Attesa (waiting): Il processo attente che si verifichi qualche evento
Pronto (ready): Il processo attende che sia assegnato ad un processore
Terminato (terminated): Il processo ha terminato la sua esecuzione
3.7 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Diagramma di transizione degli stati - 1
Transizione ammesso
Lo scheduler a lungo/medio termine ammette il nuovo processo alla contesa per la CPU
Transizione dispatch
Il dispatcher in seguito al blocco del processo in esecuzione sceglie il processo fra tutti quelli, per essere eseguito
Transizione interruzione (o revoca o pre rilascio)
…nello scheduling a priorità, avviene quando arriva un processo con priorità maggiore
…nei sistemi a partizione di tempo, avviene quando il quanto di tempo è esaurito
…avviene al verificarsi di un interrupt esterno
3.8 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Diagramma di transizione degli stati - 2
Transizione attesa di I/O
Richiesta servizio di i/O o attesa di evento
Transizione completamento di I/O
Servizio completato
Transizione uscita
Terminazione normale
Terminazione anomala quando uso scorretto risorse (limiti memoria)
3.9 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Blocco di controllo dei processi (PCB)
Informazione associata ad ogni processo che contiene:
Stato del processo
Nome (numero del processo)
Contesto del processo
Contatore di programma
Registri di CPU
Informazioni sulla gestione della memoria
Informazioni di contabilizzazione delle risorse
Tempo di utilizzo della CPU, limiti di tempo
Informazioni sullo stato dell’I/O
File aperti, dispositivi I/O assegnati
Memorizzata in un’area di memoria accessibile solo al SO
3.10 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Commutazione della CPU fra processi
3.11 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Outline
Concetto di processo
Stato di un processo
Scheduling dei processi
Cambio di contesto
Operazioni sui processi
Comunicazioni tra processi
Memoria condivisa
Scambio di messaggi
Comunicazione fra processi remoti
3.12 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Scheduling: code di processi
In un sistema multi-programmato più processi possono essere eseguiti contemporaneamente per massimizzare l’utilizzo della CPU
Lo scheduler dei processi ha il compito di selezionare il processo da mandare in esecuzione
Code:
Coda dei job: l’insieme di tutti i processi presenti nel sistema
Ready queue (coda dei processi pronti): l’insieme di tutti i processi che si trovano in memoria e pronti per essere mandati in esecuzione
Coda ai dispositivi: l’insieme dei processi in attesa dell’I/O da un dispositivo
Durante la sua vita un processo migra nelle diverse code
3.13 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Ready queue e code ai dispositivi di I/O
3.15 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Scheduler Gli scheduler si dividono generalmente in due tipi:
Scheduler a lungo termine (job scheduler)
Seleziona quale processo deve essere prelevato dalla memoria di massa ed inserito nella coda dei processi pronti
Scheduler della CPU (CPU scheduler)
Seleziona quale è il prossimo processo da mandare in esecuzione sulla CPU
Lo scheduler della CPU è invocato molto più frequentemente, ad esempio una volta ogni 100 millisecondi
Deve essere molto veloce altrimenti si sprecano cicli di CPU
Lo scheduler a lungo termine è invocato meno frequentemente, ad esempio ogni secondo o minuto
Controlla il grado di multiprogrammazione ovvero il numero di processi presenti in memoria
I processi possono essere descritti come:
Processi I/O bound
Il tempo è speso in prevalenza in attesa di I/O da un dispositivo
Processi CPU bound
Il tempo è speso in prevalenza in computazione e quindi sulla CPU
Uno scheduler a medio termine è impiegato per eliminare momentaneamente processi dalla memoria per ridurre il grado di multiprogrammazione
Il meccanismo è chiamato avvicendamento dei processi in memoria (swapping)
Il processo viene rimosso dalla memoria per poi essere ricaricato in memoria (scheduler a lungo termine)
3.16 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Cambio di contesto: context switch
Il cambio di contesto (context switch) è il momento in cui la CPU passa all’esecuzione di un altro processo
Il sistema deve salvare lo stato del processo (rappresentato dal suo PCB) corrente e caricare lo stato del prossimo processo
Salva e carica i PCB
Il cambio di contesto deve avvenire velocemente perché è pura fase di overhead
Ovvero il sistema non fa nulla di utile in quel momento
Il tempo di context switch (msec) dipende dal supporto hardware
Velocità di accesso alla memoria, numero di registri da copiare, istruzioni speciali, gruppi di registri multipli
3.17 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
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Concetto di processo
Stato di un processo
Scheduling dei processi
Cambio di contesto
Operazioni sui processi
Comunicazioni tra processi
Memoria condivisa
Scambio di messaggi
Comunicazione fra processi remoti
3.18 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Creazione di processi
La creazione dei processi inizia da un processo padre che crea dei processi figli che a loro volta creano altri processi formando un albero di processi
Risorse:
Padre e figlio condividono tutte le risorse
Il figlio condivide solo un sottoinsieme delle risorse
Padre e figlio non condividono risorse
Esecuzione:
Padre e figlio sono eseguiti in maniera concorrente
Il padre attende la fine del figlio
Lo spazio di indirizzamento:
Il figlio è un duplicato esatto del padre
Il figlio carica un programma nel suo spazio di memoria
Generalmente un processo è identificato e gestito attraverso un identificativo di processo (process identifier - pid)
3.19 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Un albero di processi
3.20 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Creazione di processi in UNIX/Linux
La system call fork() crea un nuovo processo
Il processo figlio è una copia identica del padre
Il figlio può utilizzare la exec() per sostituire lo spazio di memoria del processo originale con un nuovo programma
3.21 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Terminazione di processi
Un processo termina quando termina l’esecuzione della sua ultima istruzione ed il processo invoca la chiamata exit() che compie le azioni:
Restituisce dati (output) al processo padre (attraverso la system call wait())
Dealloca le risorse del processo
Un processo padre può terminare l’esecuzione di un processo figlio nei seguenti modi (abort()):
Il figlio ha ecceduto nell’uso delle risorse allocate
Il compito assegnato al figlio non è più richiesto
Il processo padre termina e di conseguenza anche il figlio viene terminato
In alcuni sistemi operativi questa operazione di terminazione di tutti i figli a partire dal padre è chiamata terminazione a cascata
3.22 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
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Concetto di processo
Stato di un processo
Scheduling dei processi
Cambio di contesto
Operazioni sui processi
Comunicazioni tra processi
Memoria condivisa
Scambio di messaggi
Comunicazione fra processi remoti
3.23 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Comunicazione fra processi
I processi di un Sistema Operativo possono essere
Indipendenti
Ogni processo non può influire ne subire l’influenza di un altro processo
Cooperanti
Un processo può influire o essere influenzato dall’esecuzione di un altro processo
La presenza o meno di dati condivisi determina univocamente la natura del processo
Vantaggi della cooperazione fra processi
Condivisione di informazioni: ambienti con accesso concorrente a risorse condivise
Accelerazione del calcolo: possibilità di elaborazione parallela (in presenza di più CPU)
Modularità: funzioni distinte che accedono a dati condivisi
La comunicazione fra processi viene chiamata IPC (interprocess communication)
3.24 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Meccanismi per IPC
Affinché i processi possano cooperare necessitano di un meccanismo per la comunicazione tra processi (IPC - interprocess communication)
I meccanismi fondamentali sono:
Memoria condivisa: massima efficienza nella comunicazione
Richiede l’intervento del kernel solo per l’allocazione della memoria
Gli accessi successivi sono gestiti (/arbitrati) dai processi
Scambio di messaggi: utile per trasmettere piccole quantità di dati, nessuna conflittualità, utilizzo di system call
3.25 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Memoria condivisa
Un processo alloca parte del suo spazio di indirizzamento
Costituisce la memoria condivisa
I processi cooperanti annettono la zona di memoria al loro spazio di indirizzi
La gestione della memoria condivisa, una volta allocata, non dipende dal SO
Il tipo e la collocazione dei dati sono determinati dai processi
…che hanno anche la responsabilità di non scrivere nella stessa locazione simultaneamente
3.26 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Scambio di messaggi
I processi comunicano fra loro senza far uso di variabili condivise Meccanismo per la comunicazione fra processi particolarmente utile in ambiente distribuito
Il meccanismo di scambio dei messaggi prevede due primitive di comunicazione: send(message) receive(message)
Se due processi P e Q vogliono comunicare Stabiliscono un canale di comunicazione tra di loro Inviano e ricevono messaggi tra loro tramite send/receive
3.27 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Questioni implementative
In fase di progettazione occorre decidere:
Come vengono stabiliti i canali (connessioni)?
È possibile assegnare un canale a più di due processi?
Quanti canali possono essere stabiliti fra ciascuna coppia di processi comunicanti?
Qual è la capacità di un canale?
Il formato del messaggio che un canale può gestire è fisso o variabile?
Sono preferibili canali monodirezionali o bidirezionali?
Esistono due tipologie realizzative:
Comunicazione diretta
Comunicazione indiretta
3.28 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Comunicazione diretta
Nella comunicazione diretta i processi devono conoscere la reciproca identità
Le primitive sono definite nel seguente modo:
send(P, message) – invia un messaggio al processo P
receive(Q, message) – riceve un messaggio dal processo Q
Le caratteristiche della comunicazione diretta sono:
I collegamenti sono stabiliti automaticamente
Un canale è associato esattamente a due processi
Esiste un canale tra ogni coppia di processi
Il link deve essere uni‐direzione ma solitamente è bi-direzionale
3.29 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Comunicazione indiretta - 1
I messaggi vengono inviati/ricevuti da mailbox (porte)
Ciascuna mailbox è identificata con un id unico
I processi possono comunicare solamente se condividono una mailbox
Proprietà dei canali di comunicazione:
Tra una coppia di processi si stabilisce una comunicazione se e solo se condividono una mailbox
Un canale può essere associato a più processi
Ogni coppia di processi può condividere più canali di comunicazione
I canali possono essere unidirezionali o bidirezionali
3.30 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Comunicazione indiretta - 2
Le operazioni previste nella comunicazione indiretta sono:
Crea una nuova porta
Invia e ricevi un messaggio attraverso una porta
Cancella una porta
Le primitive di comunicazione sono definite nel seguente modo:
send(A, message) – invia un messaggio alla porta A
receive(A, message) – ricevi un messaggio dalla porta A
3.31 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Comunicazione indiretta - 3
Un porta può essere condivisa tra più processi:
P1, P2, ane P3 condividono la porta A
P1 invia un messaggio
P2 e P3 leggono il messaggio dalla porta A
Chi dei due riceverà il messaggio?
Il Sistema Operativo si incarica di scegliere un solo processo a cui consegnare il messaggio. La scelta sarà comunicata al Mittente
Per evitare quanto sopra:
Si permette un solo canale tra due processi
Si permette a un solo processo alla volta di eseguire una operazioni di ricezione
3.32 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Sincronizzazione
La comunicazione tra processi può essere
Sincrona (bloccante)
Asincrona (non‐bloccante)
Nella comunicazione sincrona
Invio
blocca il mittente finché il destinatario non ha ricevuto il messaggio
Ricezione
blocca il destinatario nell’attesa della ricezione del messaggio
Nella comunicazione asincrona
Invio
il processo invia il messaggio e riprende la sua esecuzione
Ricezione
il destinatario legge un messaggio oppure un valore nullo
3.33 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Code di messaggi (Buffering)
I messaggi scambiati tra processi risiedono all’interno di un buffer di memoria
Il buffer è normalmente una coda di messaggi
La coda dei messaggi può essere implementata in diversi modi:
1. Capacità zero – 0 messaggi
Il mittente deve attendere che il destinatario prenda il messaggio (rendezvous)
2. Capacità limitata – la coda ha lunghezza n
Il mittente attende se la coda è piena
3. Capacità illimitata ‐ la coda ha lunghezza infinita
Il mittente non attende mai
3.34 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Outline
Concetto di processo
Stato di un processo
Scheduling dei processi
Cambio di contesto
Operazioni sui processi
Comunicazioni tra processi
Memoria condivisa
Scambio di messaggi
Comunicazione fra processi remoti
3.35 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Comunicazioni nei sistemi distribuiti
Socket
Chiamate di procedure remote (Remote Procedure Call - RPC)
Invocazione di metodi remoti (Remote Method Invocation - RMI, Java)
3.36 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Socket
Una socket è definita come l’estremità (end-point) di un canale di comunicazione
Ogni socket è identificata da un indirizzo IP concatenato ad un numero di porta
Esempio: la socket 161.25.19.8:1625 si riferisce alla porta 1625 sull’host 161.25.19.8
La comunicazione si stabilisce fra coppie di socket (una per ogni processo)
In una architettura client-server…
…il server attende la richiesta del client, stando in ascolto ad una porta specificata
Quando il server riceve una richiesta, se accetta la connessione proveniente dalla socket del client, si stabilisce la comunicazione
I server che svolgono servizi specifici stanno in ascolto su porte note (per esempio, 23: telnet, 21: ftp, 80: http)
Tutte le porte al di sotto del valore 1024 sono considerate note e si usano per realizzare servizi standard
La comunicazione tramite socket è una forma di comunicazione fra sistemi distribuiti a basso livello
Le socket permettono la trasmissione di un flusso non strutturato di byte:
È responsabilità del client e del server interpretare ed organizzare i dati
3.37 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009Operating System Concepts – 8th Edition
Chiamate di procedure remote
Il concetto di chiamata a procedura remota estende il paradigma della chiamata di procedura a processi residenti su sistemi remoti collegati in rete
La semantica delle RPC (Remote Procedure Calls) permette ad un client di invocare una procedura presente su un sistema remoto nello stesso modo in cui esso invocherebbe una procedura locale
Il sistema delle RPC nasconde i dettagli necessari alla comunicazione
In Java RMI
L’invocazione di metodi remoti è una funzione del linguaggio Java simile alla RPC
L’RMI permette ad un processo Java residente su una data JVM l’invocazione di un metodo su un oggetto remoto, dove per remoto si intende un oggetto residente su una diversa macchina virtuale
