Computersystemen 2 (TIRCCMS02 - Operating systems)

Computersystemen 2 (TIRCCMS02 - Operating systems) L.V.de.Zeeuw@HRO.NL

2 Processen

Processen Een proces is een abstractie van een programma in uitvoering. (Bij een process horen naast het programma ook input, output en toestandsvariabelen) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1Een inleiding in processen
Moderne computers kunnen op het zelfde tijdstip verschillende dingen uitvoeren: Programma(‘s) van een gebruiker Printen Lezen van schijf Steeds schakelt de CPU over van het ene programma naar het andere programma … De gebruiker krijgt het idee dat aan meerdere dingen parallel wordt gewerkt … Men spreekt over pseudo-parallellisme. Het goed bijhouden van meerdere parallelle activiteiten is een moeilijke opgave. Een model voor parallellisme is onderwerp van dit college. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel (1/4) Alle software (ook het operating system zelf) die op een computer kan worden uitgevoerd is een verzameling processen. Multiprogrammering is het snel verplaatsen van de aandacht van de CPU van het ene naar het andere proces. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel (2/4) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel (3/4) Wanneer de CPU zijn aandacht over processen verdeelt is de snelheid waarmee een proces de benodigde berekeningen uitvoert niet steeds gelijk. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel (4/4) Verschil proces en programma.
Een proces is één of ander activiteit. Bij een proces horen naast het programma ook input, output en toestandsvariabelen Een CPU wordt door meerdere processen gedeeld. Een scheduling algoritme bepaald wanneer de CPU switched naar een andere proces. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel- Proceshiërarchieën (1/2)
In eenvoudige systemen kunnen alle noodzakelijke processen in één keer worden gestart. In de meeste systemen worden processen gestart of beëindigd wanneer daar behoefte aan is. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel- Proceshiërarchieën (2/2)
Een operating system kent system calls voor het creëren en beëindigen van processen. Unix: fork() Fork() creëert een identieke kopie van het proces dat de system call aanroept. Het kind proces kan ook weer met fork() een proces creëren. Zo ontstaat een boomstructuur van processen. Elk proces heeft: Slecht één ouder proces Nul of meer kind processen L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.1Een procesmodel- Toestanden van processen (1/4)
cat hs1 hs2 hs3 | grep tree Cat voegt 3 files samen die door grep worden doorzocht op het woord tree. Als cat nog niet klaar is met samenvoegen moet grep wachten. Grep wordt geblokkeerd. N.B. Processen kunnen communiceren L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Een proces wordt geblokkeerd indien een proces logische gezien niet verder kan: Het proces moet wachten op input Een andere proces krijgt voorrang L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Een proces moet wachten op invoer. De scheduler wijst de CPU toe aan een ander proces. De scheduler wijst de CPU toe aan een proces. Er is invoer beschikbaar. Running Blocked Ready 1 2 3 4 L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.1.2De implementatie van processen (1/6)
De proces ‘administratie’ wordt bijgehouden in de procestabel. De procestabel wordt gebruikt door Procesbeheer Geheugenbeheer Beheer van het file system L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Stack (stapel) LIFO = Last In First Out De stackpointer (SP) wijst het adres aan van gebruikte geheugenplaats. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2Communicatie tussen processen (1/1)
Processen communiceren met andere processen. Voorbeeld: Als een proces een file wil lezen moet dit aan het ‘fileproces’ duidelijk worden gemaakt. Daarna moet het ‘fileproces’ aan het ‘diskproces’ doorgegeven welk block moet worden gelezen. Interproces Communicatie (IPC) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.1Race-condities (1/2) Processen kunnen gebruik maken van een gemeenschappelijk deel van het geheugen. Men spreekt van race-condities wanneer twee of meer processen een gemeenschappelijk deel van het geheugen gebruiken voor lezen en/of schrijven en het uiteindelijke effect afhangt van welk proces wanneer wordt uitgevoerd. Een race-conditie is ongewenst. De uitkomst van een proces wordt onvoorspelbaar en is afhankelijk van de volgorde of timing van gebeurtenissen L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.1Race-condities (2/2) Spooler directory next_free_slot
Pointer naar eerst volgende af te drukken file Spooler directory next_free_slot next_free_slot:= next_free_slot+1 in:=next_free_slot Pointer naar vrije plaats Next_free_slot next_free_slot:= next_free_slot+1 in:=next_free_slot IN en OUT zijn toegankelijk voor proces A en proces B L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.2Kritieke gebieden (1/3) Hoe voorkomen we race-condities?
Wanneer een proces een gemeenschappelijk gegeven of gemeenschappelijke file gebruikt wordt een ander proces van gebruik uitgesloten. (wederzijdse uitsluiting of mutulal exclusion) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.2Kritieke gebieden (2/3) Geschikte instructies om wederzijdse uitsluiting mogelijk te maken is een belangrijke ontwerpkeuze voor elke operating system. Instructies die bewerkingen op gemeenschappelijke gegevens of files uitvoeren bevinden zich in zogenaamde kritieke gebieden (critical sections) Race-condities kunnen dan worden voorkomen door niet toe te staan dat twee of meer processen zich tegelijkertijd in hun kritieke gebied bevinden. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.2Kritieke gebieden (3/3) Voor het correct en efficiënt laten samen werken van processen is nodig: Er mogen nooit twee processen tegelijkertijd in hun kritieke gebied zijn. Er mogen géén aannamen worden gedaan over de relatieve snelheden van de betrokken processen of het aantal beschikbare CPU’s Een proces buiten zijn kritieke gebied mag een ander proces niet blokkeren. Een proces mag niet oneindig lang wachten voordat het zijn kritieke gebied mag betreden. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.3Wederzijdse uitsluiting met busy waiting (1/15)
Een proces mag niet zijn kritieke gebeid betreden als een ander proces in zijn kritieke gebied bezig is het gemeenschappelijk deel van het geheugen te veranderen. Te onderzoeken (mogelijke) oplossingen: Het uitschakelen van interrupts Variabelen met slot functie Nauwgezette afwisseling van kritieke gebieden De oplossing van Peterson De instructie TSL L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Het uitschakelen van interrupts Ieder proces zal na het betreden van zijn kritieke gebied alle interrupts uitschakelen. Net voor het verlaten van het kritieke gebied wordt het interrupt mechanisme weer ingeschakeld. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Het uitschakelen van interrupts Nadelen Het is niet handig dit aan een proces over te laten. Als een proces ‘vergeet’ het interrupt mechanisme weer aan te zetten betekent dit het ‘einde’ van het systeem Werkt niet voor een systeem met meerder CPU’s (als voor een CPU de interrupts worden uitgezet kunnen processen die een andere CPU gebruiken nog steeds bij het kritieke gebied) Voor de kernel is het uitzetten van interrupts wel bruikbaar mechanisme. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Variabelen met slot functie Gebruik één gedeelde variabele: slot Deze variabele wordt initieel op 0 gezet. Bij het betreden van het kritieke gebied wordt eerst het slot getest. Als slot 0 is dan wordt slot op 1 gezet en wordt het kritieke gebied betreden. Bij het verlaten van het kritieke gebied wordt slot weer op 0 gezet. Als slot de waarde 1 heeft wacht het proces tot slot weer de waarde 0 heeft (een proces is bezig in zijn kritieke gebied). L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Variabelen met slot functie Nadeel Ook hier kan een race conditie optreden Proces A leest slot en vindt 0 Proces B leest vrijwel tegelijkertijd slot en vindt ook 0 Zowel proces A als proces B veranderen slot in 1 Nu bevinden zich twee processen zich in hun kritieke gebied. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Nauwgezette afwisseling van kritieke gebieden L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Nauwgezette afwisseling van kritieke gebieden Een variable turn geeft aan welk proces aan de beurt is om zijn kritieke gebied te betreden. Turn heeft initieel de waarde 0. Proces A leest turn en vindt 0 Proces A betreedt zijn kritieke gebied. Proces B leest turn en vindt óók 0. Proces B wacht in een herhalingslus (busy-waiting) totdat turn 1 is. Wanneer proces A zijn kritieke gebied verlaat verandert hij turn in 1 en kan proces B zijn kritieke gebied betreden. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Nauwgezette afwisseling van kritieke gebieden Stel dat proces B zijn kritieke gebied snel doorloopt zodat beide processen in het niet-kritieke gebied zitten en turn de waarde 0 heeft. Nu doorloopt proces A zijn kritieke gebied snel en komt terug in zijn niet-kritieke gebied. Turn heeft nu de waarde 1 Proces A maakt zijn niet-kritieke deel snel af en gaat terug naar het begin van de herhalingslus. Proces A mag nu niet zijn kritieke gebied betreden omdat hij zelf turn de waarde 1 heeft gegeven. Proces B is nog steeds ‘op zijn gemak bezig’ zijn niet kritieke deel af te ronden… Ieder proces om de beurt toegang geven tot zijn kritieke gebied is niet goed als het ene proces veel langzamer is dan het andere proces L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Nauwgezette afwisseling van kritieke gebieden Dit is ook in strijd met voorwaarde 3 3. Een proces buiten zijn kritieke gebied mag een ander proces niet blokkeren. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

De oplossing van Peterson De Nederlandse wiskunde T. Dekker bedacht: Combineer: Variabelen met slot functie Nauwgezette afwisseling van kritieke gebieden Dit was de eerste software oplossing voor het probleem van wederzijdse uitsluiting. De oplossing van Dekker was ingewikkeld. In 1981 ontdekte Peterson een veel eenvoudiger variant. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

De oplossing van Peterson: Voordat het kritieke gebied wordt betreden roept elk proces de procedure enter_region aan. Als parameter wordt het eigen procesnummer 0 of 1 meegegeven De procedure enter_region wacht tot veilig het kritieke gebied kan worden betreden. Als het proces klaar is met raadplegen of muteren van gemeenschappelijke variabelen wordt de procedure leave_region aangeroepen. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Proces 0 roept enter_region aan While (0==0 and interested[1] ==TRUE) Omdat proces 1 géén interesse toont (interested[1] ==FALSE) wordt enter_region meteen verlaten en mag proces 0 door naar zijn kritieke gebied. Other is nu 1 interested[0] is TRUE interested[1] is FALSE Indien beide processen vrijwel gelijktijdig enter_region aanroepen zal het proces dat als laatste turn wijzigt moeten wachten. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

De instructie TSL TSL (TEST and SET LOCK) is een hardware oplossing voor systemen met meerdere processoren. Werking: Inhoud geheugenwoord wordt gekopieerd naar een CPU register. Het geheugenwoord krijgt een waarde ≠ 0 De bewerkingen 1 en 2 zijn gegarandeerd ondeelbaar. Geen enkele andere processor kan het geheugen benaderen voordat de TSL instructie is afgerond. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Flag coordineert de toegang tot het gemeenschappelijk deel van het geheugen TSL: Flag wordt 1 gemaakt De oude waarde van flag staat in het register De instructie TSL Essentieel is dat flag gedurende deze bewerking niet gewijzigd kan worden door een ander proces L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (1/8) Het nadeel van de Peterson en TSL oplossingen is ‘busy waiting’: het proces wacht in een herhalingslus totdat hij zijn kritische gebied mag betreden. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (2/8) Nadelen ‘busy waiting’
Verspilling CPU tijd Onverwachte effect: Uitgangspunt Twee processen L met lage en H met hoge prioriteit. De regel van de scheduler is dat H wordt uitgevoerd als H in de ‘ready’ toestand is. Stel L zich op een bepaald moment in het zijn kritieke gebied. H komt in de ‘ready’ toestand en begint met ‘busy waiting’ voor toegang to zijn kritieke gebied. L wordt niet door de scheduler aangewezen voor uitvoering en komt daarom nooit meer uit zijn kritieke gebied … L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (3/8) Blokkeren van een proces als het proces niet is toegestaan het kritieke gebied te betreden. Er wordt nu géén CPU tijd verspilt. System calls: SLEEP blokkeert het proces dat deze call aanroept. WAKEUP(id) bevrijd proces id uit de geblokkeerde toestand. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (4/8) Hoe SLEEP en WAKEUP te gebruiken?
Voorbeeld: Producent-consument (producer-consumer) of bounded buffer probleem. Twee processen delen een gemeenschappelijke buffer (vaste omvang) Het producent proces schrijft data in de buffer. De consument proces haalt dat uit de buffer. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (5/8) Het producent proces schrijft data in de buffer. De consument proces haalt dat uit de buffer. Als de buffer vol is: De producent moet blokkeren. De producent wordt door de consument uit de geblokkeerde toestand gehaald wanneer de consument één of meer items uit de buffer heeft gehaald. Als de buffer leeg is: De consument moet blokkeren. De consument wordt door de producent uit de geblokkeerde toestand gehaald wanneer de producent één of meer items in de buffer heeft geplaatst. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (6/8) Producent-consument geeft aanleiding tot race condities. Count houdt het aantal items in de buffer bij (maximaal N). Zowel Producent als consument controleren het aantal items in de buffer. Producent: if (count==N) sleep(); If (count==1) wakeup(consument) Consument: if (count==0) sleep(); If (count==N-1) wakeup(producent); L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (7/8) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2
Race condities kunnen ontstaan omdat de benadering van count niet aan beperkingen is gebonden. Race condities kunnen ontstaan omdat de benadering van count niet aan beperkingen is gebonden. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.4Sleep and wakeup (8/8) Race condities kunnen ontstaan omdat de benadering van count niet aan beperkingen is gebonden. Scenario voor race conditie Buffer leeg. De consument leest count = 0. Scheduler onderbreekt consument. Scheduler start producent. De producent plaats item in buffer. Count wordt met 1 verhoogd. De waarde van count is nu 1. De producent beredeneerd: count wás 0 dus consument is geblokkeerd. De producent voert een wake-up uit op de consument. De consument was logische gezien niet geblokkeerd! Het wakeup signaal gaat daarom verloren. De scheduler start de consument en deze test de waarde van count die de consument hiervoor reeds had gevonden. De consument vindt 0. De consument wordt geblokkeerd. De producent vult daarna de hele buffer. De producent wordt geblokkeerd. De consument en de producent blijven altijd geblokkeerd. Een lapmiddel zou zijn een bit wakeup waiting te gebruiken dat kijkt naar wake-up signalen. Bij een wakeup voor een niet geblokkeerd proces wordt dit bit 1. Later, als het wil overgaan naar geblokkeerde toestand en wakeup waiting is 1 wordt het proces niet geblokkeerd. wakeup waiting wordt 0 gemaakt. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (1/8) E.W. Dijkstra introduceerde in 1965 de semafoor (seinpaal). Een nieuw type variabele. Als de semafoor nul is betekent dit dat er geen wakeupsignalen zijn bewaard. Als de semafoor positief is, wachten één of meer wakeup signalen op afhandeling. EWD 74-1 Prof. dr. Edsger W. Dijkstra, ( ) Nederlands belangrijkste informaticus L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (2/8) De semafoor s kent twee operaties: DOWN en UP
(In literatuur: PASSEER en VERHOOG, WAIT en SIGNAL of SLEEP en WAKEUP) DOWN(s): als s=0 blokkeer proces als s>0 verminder s proces gaat door. UP(s): verhoog s semafoor- of optische telegraaf L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (3/8) ondeelbare Het controleren van de waarde,
het veranderen van de waarde en het mogelijk blokkeren van het proces wordt uitgevoerd als één atomaire actie ondeelbare L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (4/8) De UP en DOWN bewerkingen worden als systemcalls geïmplementeerd door het interrupt mechanisme tijdelijk uit te zetten. Bij meerdere CPU’s is de TSL (TEST and SET LOCK) instructie nodig zodat maar één CPU tegelijk de semafoor kan benaderen. UP(s) is dus niet het zelfde als s=s+1 ! Als twee processen A en B s=s+1 vrijwel tegelijk willen uitvoeren kan het gebeuren dat voordat A de waarde van s+1 aan s toekent B dezelfde som maakt. De gewenste toename is dan verloren gegaan! L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (5/8) Iedere kritische sector wordt als volgt geprogrammeerd: DOWN(s); kritische sector; UP(s); L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (6/8) Oplossing producent-consument (producer-consumer) of bounded buffer probleem: Programma voor proces A . DOWN(s); voeg item toe aan buffer; UP(s); Programma voor proces B verwijder item uit buffer; L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (7/8) Binaire semafoor L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.5Semaforen (8/8) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2
In stap 5 wordt de UP uitgevoerd. Begin waarde van een I/O semafoor is 0 De I/O resource voert een DOWN uit op bijbehorende semafoor. Het I/O proces wordt geblokkeerd. Zodra een interrupt wordt ontvangen wordt een UP uitgevoerd op bijbehorende semafoor (stap 5) Het proces komt in de ready-toestand De afhandeling van Interrupts kunnen worden afgeschermd met semaforen. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.6Event counters (1/2) Een oplossing voor producent-consument probleem kan ook gebruik worden gemaakt van event counters die géén wederzijdse uitsluiting vereisen. Op event counters worden drie operaties gedefinieerd: Read(E): Geeft de huidige waarde van E Advance(E): Verhoogd (ondeelbaar) de waarde van E met 1 Await(E,v): Wacht tot E ten minste de waarde v heeft. Event counters alleen maar toe. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.6 Event counters (2/2) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.7Monitoren (1/6) Deadlock L.V. de Zeeuw Computersystemen 2
Wat kan er gebeuren als de instructies down(&empty) en down(&mutex) worden omgekeerd? down(&mutex) down(&empty) Als de buffer vol is wordt de producent geblokkeerd Mutex krijgt de waarde 0 De consument voert een down(&mutex) uit. Mutex is al 0 De consument blokkeert ook. Deadlock L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Onvoorspelbare fouten Niet reproduceerbare fouten
2.2.7Monitoren (2/6) Ondoordacht gebruik van semaforen leidt tot: Onvoorspelbare fouten Deadlocks Race condities Niet reproduceerbare fouten L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.7Monitoren (3/6) Om het programmeren eenvoudiger te maken kan een monitor worden gebruikt als synchronisatie operatie met een hoger abstractie niveau. Monitor is een verzameling Procedures Variabelen Datastructuren Processen kunnen een monitor aanroepen maar niet de interne datastructuren van de monitor benaderen. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.7Monitoren (4/6) Monitor met de naam example Op ieder moment kan maar één proces actief zijn binnen de monitor. Een monitor is een speciale constructie in een programmeertaal. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.7Monitoren (5/6) Binnen een monitor zijn conditionele variabelen nodig om een proces te blokkeren/de-blokkeren. Op deze conditionele variabelen worden twee operaties gedefinieerd: WAIT(variabele) het proces wordt geblokkeerd de toegang tot de monitor wordt vrijgegeven voor een ander proces SIGNAL(variabele) geeft het geblokkeerde proces vrij de monitor wordt door het huidige proces onmiddellijk verlaten L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.7 Monitoren (6/6) De meeste programmeertalen
kennen de taalconstructie monitor niet. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.8Mesage passing (1/5) Gegevens uitwisselen tussen machines:
send (destination, &message) receive (source, &message) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.8Mesage passing (2/5) Ontwerpeisen voor systemen die gebruik maken van message passing: Ontvangstbevestiging,time out Naamgeving processen: Verificatie, authenticatie Zender en ontvanger op dezelfde machine (efficiëntie) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.8Mesage passing (3/5) Remote procedure call (RPC)
Vanuit de cliënt lijkt een verzoek aan de server veel op het aanroepen van een procedure. Daarna wordt er gewacht tot deze ‘procedure’ klaar is. Mooier is gebruik te maken van Remote Procedure Calls. De aanroepende en ontvangende procedures maken gebruikt van een stub procedures die de communicatie tussen beide machines afhandelt. Voor de aanroepende en ontvangende procedures lijkt alles lokaal te worden afgehandeld. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.8Mesage passing (4/5) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.8Mesage passing (5/5) Het producent- consument-probleem
opgelost met message passing L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.2.9Gelijkwaardigheid van de basisoperaties (1/8)
De operaties Semaforen Event counters Monitoren Message passing zijn in principe equivalent L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Het implementeren van monitoren en message passing met semaforen (hierna uitgewerkt) Implementeren van semaforen en message passing met monitoren Implementeren van semaforen en monitoren met message passing NB Het gebruik van de basisoperatie ‘event counters’ voor het implementeren van de andere basisoperaties wordt in het leerboek verder niet besproken. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Het implementeren van monitoren met semaforen Te programmeren: Bij iedere monitor hoort een binaire semafoor mutex met startwaarde 1 Bij iedere conditionele variabele hoort een semafoor met startwaarde 0 Betreden monitor controleren met semafoor mutex Bij aanroep monitor procedure: DOWN(mutex) Als de monitor al wordt gebruikt dan wordt het proces geblokkeerd. Bij verlaten monitor procedure: UP(mutex) Een wachtend proces kan nu de monitor gebruiken. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

WAIT wordt uitgevoerd op conditionele variabele c. Te programmeren: UP(mutex) DOWN(c) DOWN(mutex) SIGNAL wordt uitgevoerd op conditionele variabele c. UP(c) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Gevolg: Zowel consumer als producer actief in monitor, maar … Mutex garandeert exclusieve toegang tot de monitor if count=1 signal(empty) Consumer naar ready toestand Wordt uitgevoerd als: UP(mutex) DOWN(empty) DOWN(mutex) Producer kan de monitor betreden Daarom wait(empty) Consumer wordt geblokkkeerd Stel … Consumer start eerst en ontdekt dat er niets in de buffer staat .. … de schade blijft beperkt om dat na het uitvoeren van signal de monitor moet worden verlaten. (programmeerregel) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Wat als … Producent: UP(mutex) voordat Consument: DOWN(mutex) ? De producent kan dan opnieuw de monitor betreden voordat de consument de DOWN(mutex) heeft uitgevoerd. Geen ongelukken omdat de consument géén gemeenschappelijke gegevens kan raadplegen of muteren voordat de consument een DOWN(mutex) heeft uitgevoerd. Als de producent zich op dat moment in monitor bevindt is de waarde van mutex 0. De consument wordt geblokkeerd totdat de producent de monitor verlaat met UP(mutex) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Het implementeren van message passing met semaforen L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Zo verder … Zie leerboek. Implementeren van semaforen en message passing met monitoren Implementeren van semaforen en monitoren met message passing L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Het probleem van de lezers en schrijvers.
2.3Klassieke problemen op het geboed van communicatie tussen processen (1/1) Het probleem van de etende filosofen Het probleem van de lezers en schrijvers. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.3.1Het probleem van de dining philosophers (1/13)
Het probleem van de etende filosofen is door Dijkstra (1965) bedacht en opgelost. (dat zouden meer mensen moeten doen) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Vijf filosofen eten spaghetti. De spaghetti is erg glibberig. Je hebt twee vorken nodig. Tussen de borden ligt steeds één vork. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Een filosoof doet afwisselend twee dingen: hij eet of hij denkt Als hij honger heeft probeert hij de linker én rechter vork te gebruiken. De vorken worden in willekeurige volgorde één voor één gepakt. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Als hij twee vorken te pakken heeft kan hij enige tijd eten Hierna worden de vorken weer op tafel gelegd. Daarna denkt de filosoof weer een tijdje. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Kun je een programma schrijven voor iedere filosoof? Het programma moet de voorgaande beschrijving uitvoeren. Het programma mag niet vastlopen. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Deadlock L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Als alle filosofen tegelijkertijd hun linker vork pakken eet niemand meer. Deadlock L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Programma aanpassing: Claim linker vork Kijk of rechtervork beschikbaar is Zo niet, leg dan de linker vork weer neer. Wacht dan enige tijd en probeer het opnieuw … L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Programma aanpassing (1): Claim linker vork Kijk of rechtervork beschikbaar is Zo niet, leg dan de linker vork weer neer. Wacht dan enige tijd en probeer het opnieuw … L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Een willekeurige tijd wachten? We willen een oplossing die altijd tot een goed resultaat leidt en niet kan vastlopen ten gevolge van een onwaarschijnlijke serie toevalsgetallen … L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Programma aanpassing (2): DOWN(mutex) UP(mutex) Telkens kan slechts één filosoof eten… Slechte Performance L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Programma aanpassing (3): L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Edsger Wybe Dijkstra (1/1)
Noorderlicht documentaire L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Edsger Wybe Dijkstra (2/2)
Website van Dijkstra met links naar zijn EWD-tjes L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.3.2 Het probleem van de readers en writers (1/2)
Model voor de toegang tot een database Veel processen willen uit de DB lezen of naar de DB schrijven. Als één proces naar de DB schrijft mag geen enkel ander proces lezen of schrijven. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.3.2 Het probleem van de readers en writers (2/2)
De eerste reader krijgt toegang tot de DB door een down(&db). Elke volgende reader krijgen toegang door rc = r+1 Als een reader klaar is met lezen rc=rc-1 De laatste reader voert een up(&db) uit. Readers hebben hier een hogere prioriteit dan writers. Er zijn ook oplossingen voor het omgekeerde L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4Proces scheduling (1/3) Als er meer dan één proces ready is neemt de scheduler de beslissing welk proces eerst wordt uitgevoerd. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4Proces scheduling (2/3) Criteria voor een scheduling algoritme:
Eerlijkheid Het proces krijgt een eerlijk deel van de CPU tijd Efficiency Zorgt dat de CPU 100% van de tijd bezig is Responsetijd Minimaliseren voor interactieve gebruikers Doorlooptijd Minimaliseren voor batch gebruikers Bezettingsgraad Zoveel mogelijk processen per tijdseenheid. Deze criteria zijn vaak tegenstrijdig L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4Proces scheduling (3/3) Pre-emptive scheduling:
Processen die ‘running’ zijn worden tijdelijk uitgesteld. Run to completion: (Batch) processen maken hun taak geheel af. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.1Round robin scheduling (1/2)
Ieder proces krijgt een tijdsinterval (quantum) toegewezen. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.1Round robin scheduling (2/2)
Als het quantum … te kort is verminderd dit de efficientie van de CPU Een process of context switch kost immers tijd te lang is geeft dit een slechte response voor korte interactieve opdrachten L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.2Scheduling met prioriteiten (1/2)
Niet alle processen zijn even belangrijk. Priority scheduling: Aan processen wordt een prioriteit toegewezen. Een ready process met de hoogste prioriteit wordt uitgevoerd. Toewijzen van prioriteiten kan statische of dynamische gebeuren. De prioriteit van een proces kan op basis van een interrupt worden verlaagd om te voorkomen dat processen met de hoogste prioriteit voor onbepaalde tijd worden uitgevoerd. I/O gebonden processen moeten vaak wachten en verbruikt al wachtend zijn quantum. Als dat gebeurt kan daarna een dergelijk proces een hogere prioriteit worden gegeven. Bijvoorbeeld: Nieuwe prioriteit = quantum / gebruikte tijd L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.2Scheduling met prioriteiten (2/2)

2.4.3Meer wachtrijen (1/1) Het aantal proces wisselingen moet worden beperkt. tegenover Proces quanta moeten zo klein mogelijk worden gehouden. Een oplossing is te gaan werken met prioriteitsklassen. Hoogste klasse: 1 quantum Op één na hoogste klasse: 2 quanta Op twee na hoogste klasse: 4 quanta Etc. Als de toegewezen quanta zijn verbruikt wordt het proces in de eerst volgend lagere prioriteitsklasse ingedeeld. Kort lopende interactieve processen worden bevoordeeld. Het aantal process wisselingen wordt beperkt L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.4Shortest job first (1/4) Gemiddelde doorlooptijd (a+ a+b a+b+c a+b+c+d) /4=(4a+3b+2c+d)/4 (a,b,c,d tijd nodig voor respectievelijk 1e,2e,3e,4e job) Voor jobs met een vooraf bekende verwerkingstijd is de gemiddelde doorlooptijd het kleinst als wordt begonnen met de korst durende job. Gemiddelde doorlooptijd (8+ 8+4 8+4+4 ) /4= 14 Gemiddelde doorlooptijd (4+ 4+4 4+4+4 ) /4=11 L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.4Shortest job first (2/4) Het zou mooi zijn dit ook voor interactieve processen te kunnen gebruiken. Probleem is dat vooraf de verwerkingstijd niet goed bekend is. Een schatting is te maken door te kijken naar het historische gedrag van een proces. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.4Shortest job first (3/4) Verwerkingstijden voor zekere terminal:
T0,T1,T2,T3, etc Bepaal het gewogen gemiddelde waarbij de weegfactor de invloed van voorgaande verwerkingstijden groter of kleiner maakt. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.4Shortest job first (4/4) Verwerkingstijden voor zekere terminal:
T0,T1,T2,T3, etc Aging is de techniek waarbij de volgende waarde van een reeks wordt bepaald door het gewogen gemiddelde van de huidige meting en voorgaande bepaling. Kies: aT0+(1-a)T1 met a= ½ (shift 1 bit naar rechts) Dan: 1e bepaling: T0 2e bepaling: ½ T0+(1- ½)T1 = ½ T0 + ½T1 3e bepaling: ½(½ T0 + ½T1)+(1-½)T2 = ¼ T0 + ¼ T1 + ½T2 4e bepaling: ½(¼ T0 + ¼ T1 + ½T2 )+(1-½)T3 = 1/8T0+1/8T1+ ¼ T2+½T3 L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.5Policy driven scheduling (1/1)
Doe een belofte en probeer die waar te maken. Voorbeeld: Bij n gebruikers krijgt ieder 1/n deel van de CPU tijd. De gebruikte proces tijd wordt bijgehouden. De scheduler bepaalt voor elk proces: gebruikte proces tijd / toegewezen tijd en wijst eerst de processen aan de CPU toe met de kleinste verhouding. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.4.6Scheduling op twee niveau’s (1/1)
Scheduler op het laagste niveau maakt ‘ready’ processen in intern geheugen ‘running’ Scheduler op het hoogste niveau brengt ‘ready’ processen op disk naar intern geheugen en omgekeerd. L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

2.x.xX (1/) L.V. de Zeeuw Computersystemen 2

Dit was het … Huiswerk: Lees hoofdstuk 2 Maak de opgaven L.V. de Zeeuw
Computersystemen 2

Computersystemen 2 (TIRCCMS02 - Operating systems)

Verwante presentaties

Presentatie over: "Computersystemen 2 (TIRCCMS02 - Operating systems)"— Transcript van de presentatie:

Verwante presentaties

Over het project

Feedback

Inloggen

Inloggen via een sociaal netwerk:

Computersystemen 2 (TIRCCMS02 - Operating systems)

Verwante presentaties

Presentatie over: "Computersystemen 2 (TIRCCMS02 - Operating systems)"— Transcript van de presentatie:

Verwante presentaties

Over het project

Feedback