Begriffe

Programm statischer Code

Prozess Programm im Ausführungs-Kontext

= Programmcode, assoziierte Daten, Execution Context (PCB)

Kontext aktueller Prozess-Zustand, Verwaltungsdaten (Tabellen)

Dispatcher OS-Programm für Process-Switching bei Timeout Interrupt

Trace Ausführungs-Reihenfolge von Instruktionen - Können sich überlappen.

• Visualisierung von Trace

  

  

  

Aufgabe des OS

OS allokiert Speicher und baut Datenstrukturen auf für Prozess-Zustand und Speicherbereich.

OS kreiert, beendet und verwaltet Prozessse.

Prozess-Erzeugung

Prozess-Beendigung

Prozess-Verwaltung

Im kernel mode ist OS zuständig für:

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Prozess-Zustände

Jede queue, wie ist als PCB-liste / Prozessliste implementiert.

$\small \textsf{Running}$

$\small \textsf{Not Running} \begin{cases} \textsf{Ready}\\ \textsf{Blocked / Waiting} \end{cases}$

$\small \textsf{New}$

$\small \textsf{Exit}$

$\small \textsf{Ready, suspend}$

$\small \textsf{Blocked, suspend}$

Ursachen für Suspend

Process Switch

Umschaltung zwischen Prozessen wenn OS wieder im Besitz der Kontrolle ist durch:

Call / Supervisor Call / System Call

Trap

Interrupt

____________

Prozessverwaltung

Die Verwaltung von Prozessen und Ressourcen braucht eigene Datenstrukturen.

Diese Tabellen müssen nicht unbedingt einander referenzieren.

Memory Table Physischer Bereich im Arbeitsspeicher und Sekundärspeicher

IO Table Peripherals und ihre Zustände, Buffer

File Table Dateien und ihre Zustände, Buffer

Primary Process Table Globale Prozesstabelle - mit pointer zu process image

Process Image

Im Virtual Memory - muss nicht zusammenhängend sein.

OS braucht Teile davon für Prozessverwaltung.

Private User Address Space User Programm (nicht modifizierbar)

Shared Address Space User Data (modifizierbar) : Variablen, modifizierbare Programme

User Stack Für User Programme

Process Control Block PCB Execution Context

Process Control Block PCB

Teil von Process-Image.

Gesamter Kontext von Prozess - steht OS zur Verfügung.

Process ID(Identifizierung)

Processor State Information(Steuerinformation)

Damit man nach einer Unterbrechung dort fortsetzen kann wo man war.

Process Control Information(Prozesskontrolle)

Informationen über Rechte, Priorität, Privilegien, Ressourcen die gebraucht werden für Scheduler:

Execution Modes

Datenstrukturen (PCB Listen) müssen vor unerlaubten Zugriffen geschützt werden.

CPU unterstützt durch mindestens 2 Modi (als mode-bits gesetzt)

User mode Für Benutzerprogramme

Privileged mode Für OS um auf bestimmte Speicherbereiche zuzugreifen.

bzw system / kernel / supervisor / control mode

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OS Designs

Mode-Switch notwendig für OS Routinen aber nicht Process-Switch - Abhängig von OS design.

Mode Switch Änderung von Execution Mode

Process Switch Änderung von Process

1. Process Switch (rot) - Kontrolle von user process (grün) wird an OS übergeben

2. Mode switch - zu privileged mode

3. Kontext wird abgespeichert (grau)

4. Optionaler Process Switch (2 Wege - orange)
   1. OS Programm als Subroutine ausgeführt
   2. OS Programm als neuer Prozess ausgeführt

5. Alter Zustand / Kontext aus user process wieder hergestellt (grau)

1) OS Ausführung in User Prozessen

Kein Process-Switch

OS als Ansammlung an Subroutinen die vom User aufgerufen werden.

Fast alle OS-Routinen laufen im Kontext der Benutzerprozesse ausgeführt.

Erweiterung vom Process Image

Private User Address Space User-Programm (unveränderlich)

Shared Address Space User Data (modifizierbar): Variables, Callstack + OS-Code und Daten

User Stack Stack für User Programme

System / Kernel Stack Stack für privileged mode (nicht von Prozess manipuliert)

Process Control Block PCB Execution Context

2) Nonprocess Kernel

Process-Switch

Gesamter OS strikt getrennte im Kernel mit höheren Privilegien, eigenem Speicherbereich + Stack.

Nur Benutzerprogramm Prozess genannt.

3) Prozessbasiertes OS

Process-Switch

OS als Ansammlung von getrennten Systemprozessen mit höhrer Priorität.

Kernel (≠ Prozess) genützt für Basis-Services:

Beispiel: Mikrokernel Architektur

Kernel minimalistisch - nur aller nötigsten Services - Restlichen OS features als optionale libraries.

Hat Basis-Services (siehe Prozessbasiertes OS)

Eigenschaften:

Kernel Architekturen

Monolithic OS (eher alt - no Compartmentalization)

Layered OS (modern - has Compartmentalization)

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Threads

Prozesse = Ressourcen-Verwaltung + Ausführungszustände + Dispatching

Entkopplung / Seperation of concerns mit Threads:

1. Process / Task (Ressourcen-Verwaltung)

   Virtueller Addressraum (mit Process Image)

   Speicherschutz

   Files, IO

2. Thread / Lightweight process (Dispatching, Ausführungszustände)

   schnelleres Erzeugen und Umschalten als bei Prozessen.

   Ausführungszustand

   Running, Ready, Blocked - je nach Implementierung.

   Aber suspend nicht für einzelne Threads möglich, sondern nur für Prozess.

   Kontext wenn nicht gerade laufend

   User Stack, Kernel Stack

   thread-lokale statische und lokale Variable

   Zugriff auf Prozessspeicher und Ressourcen

Multi-Threading

PCB von Process angepasst: Tabelle mit pointern zu allen threads.

Alle Threads haben greifen auf selben user address space zu.

Wenn Prozess terminiert - terminieren alle Threads.

Vorteile von Threads

Bessere performance als Prozesse

Alle Threads haben die gleichen Ressourcen:

Anwendungen von Threads

Applikationen bei denen sonst mehrere Prozesse auf dieselbe Ressource zugreifen würden wie zB:

User-Level Threads (ULT)

Prozess ruft thread-library auf.

Threads für den Kernel unsichrbar.

Thread library code implementiert alles

• implementiert

  • Erzeugung und Terminierung

  • Daten-, Nachrichtenaustausch zwischen Threads

  • Thread Scheduling

  • Sichern und Herstellen von Thread Kontexten

Thread-Switching im User-mode.

Vorteil gegenüber KLT

Scheduler kann an Applikation angepasst werden

Nachteil gegenüber KLT

Threads können nicht auf mehrere Prozessoren aufgeteilt werden

Kernel-Level Thread (KLT)

Kernel Thread API, keine library.

Thread scheduling / management durch Kernel.

Auch für OS services eingesetzt.

Vorteil gegenüber ULT

Einzelne Threads können blockiert werden.

Gleichzeitiges Schedulen mehrerer Threads eines einzelnen Prozesses mit Multicore möglich.

Nachteil gegenüber ULT