Operációs Rendszerek II

Operációs Rendszerek II. Második előadás

Első verzió: 2004/2005. I. szemeszter Ez a verzió: 2009/2010. II. szemeszter Sunday, February 14, 2010

Visszatekintés

Sunday, February 14, 2010

Visszatekintés • Operációs rendszer a számítógép hardver elemei és az alkalmazások közötti program, amely: – biztosítja az erőforrások optimális kihasználását – elfedi a hardver sajátosságokat (~virtualizáció)


Visszatekintés • Operációs rendszer a számítógép hardver elemei és az alkalmazások közötti program, amely: – biztosítja az erőforrások optimális kihasználását – elfedi a hardver sajátosságokat (~virtualizáció) • Ma szinte kizárólag multiprogramozott rendszerek – kötegelt (erőforrás kihasználásra optimalizál) és – időosztásos rendszerek (válaszidőkre optimalizál)


Visszatekintés • Operációs rendszer a számítógép hardver elemei és az alkalmazások közötti program, amely: – biztosítja az erőforrások optimális kihasználását – elfedi a hardver sajátosságokat (~virtualizáció) • Ma szinte kizárólag multiprogramozott rendszerek – kötegelt (erőforrás kihasználásra optimalizál) és – időosztásos rendszerek (válaszidőkre optimalizál) • Terminológia ma kicsit más – Szerverek: több, párhuzamos kérés egy időben – Desktop (PC)-k: egy felhasználó, több program Sunday, February 14, 2010

Visszatekintés (folyt) Változások okai: • Új hardver technológiák (SMP, RAID) • Hardverek teljesítmény jellemzőinek abszolút és relatív változása • Egyéb hardver sajátosságok (pl. SSD, NUMA) • Felhasználási mód, funkciók • Versenytársak...


Visszatekintés (folyt) Változások okai: SMP • Új hardver technológiák (SMP, RAID) Uniprocesszoros rendszerekben több program egyidejűteljesítmény futtatása látszólagos, egy abszolút időpillanatban • Hardverek jellemzőinek és egyváltozása aktív program van (ez lehet oprendszer kód is). relatív Multiprocesszoros esetben valós párhuzamosság • Egyéb hardver sajátosságok SSD, aNUMA) jelenik meg, ami jelentősen (pl. bonyolítja működést. • Felhasználási mód, funkciók • Versenytársak...




Visszatekintés (folyt) Változások okai: Teljesítmény jellemzők • Új hardver (SMP, RAID) Abszolúttechnológiák változás (példák): - Hálózatteljesítmény 10Mbit/s-ről jellemzőinek 1Gbit/s-re (és abszolút tovább), és • Hardverek - Szalagok (1999 DLT: 3MB/s, 2007 LTO-4: 120MB/s) relatív változása • Egyéb hardver sajátosságok (pl. SSD, NUMA) • Felhasználási mód, funkciók • Versenytársak...


Visszatekintés (folyt) Változások okai: Teljesítmény jellemzők • Új hardver (SMP, RAID) Abszolúttechnológiák változás (példák): - Hálózatteljesítmény 10Mbit/s-ről jellemzőinek 1Gbit/s-re (és abszolút tovább), és • Hardverek - Szalagok (1999 DLT: 3MB/s, 2007 LTO-4: 120MB/s) relatív változása Relatív változás (példa): • Egyéb hardver sajátosságok (pl. SSD, - Diszk és memória teljesítmény, méretNUMA) és árviszonya • Felhasználási mód, funkciók miatt korábban a kis memória és intenzív diszk használat volt a jellemző. Ma azonban a telepített • Versenytársak... memória mennyiség „nagy”, a sebesség különbség jelentősen megnőtt - így a régi algoritmusok nem megfelőek...




Visszatekintés (folyt) Változások okai: Egyéb • Új hardver (SMP, RAID) elérési ideje NUMA: atechnológiák „hagyományos” memóriák címfüggetlen, amit ki isjellemzőinek használunk aabszolút memóriaés kezelő • Hardverek teljesítmény megoldásokban. relatív változása A NUMA rendszerekben nem... • Egyéb hardver sajátosságok (pl. SSD, NUMA) • Felhasználási mód, funkciók • Versenytársak...


Visszatekintés (folyt) Változások okai: Egyéb • Új hardver (SMP, RAID) elérési ideje NUMA: atechnológiák „hagyományos” memóriák címfüggetlen, amit ki isjellemzőinek használunk aabszolút memóriaés kezelő • Hardverek teljesítmény megoldásokban. relatív változása A NUMA rendszerekben nem... SSD: a „hagyományos” diszkek esetén az átvitel • Egyéb hardver sajátosságok (pl. SSD, aNUMA) helyfüggő (fejmozgások), amelyekkel különféle • Felhasználási funkciók algoritmusokmód, számolnak. Az SSD-k esetében nincs mozgó alkatrész... • Versenytársak...




A továbbiakban • Programok és erőforrások dinamikus összerendelése – folyamatok • Tárgyalás időbeli fejlődést követ: – Egy processzor, nincsenek szálak – Több (szimmetrikus) processzor – Több szál (több processzoron) • Továbbiakban: – Operációs rendszeri megvalósítási modellek – Folyamatok és erőforrások összerendelése • CPU, memória, I/O – ütemezések • Együttműködés, verseny, problémák Sunday, February 14, 2010

Folyamatok • Mi a folyamat? • Multiprogramozott operációs rendszerek egyik alapfogalma • Először a Multics rendszer fejlesztői használták (60-as évek) • Jelentése (egyik): a program végrehajtás alatt álló példánya


Program végrehajtása alatt álló… • A program futásához – legalább az aktuálisan végrehajtandó – utasításoknak és az általuk kezelt adatoknak a memóriában kell lennie • A program futása során több-kevesebb I/O eszközt szeretne használni (írni, olvasni), ezeket az operációs rendszer szolgáltatja a programoknak • Ahhoz, hogy a program valóban fusson, a fenti feltételeken (memória, I/O) túl a processzorhoz is hozzáférést kell kapjon


Folyamatok


Folyamatok


Folyamatok


Folyamatok


Folyamatok


Program végrehajtás alatt álló… • A folyamat leírható: – Terület a központi memóriában (kód, adat, stack) – Adatok és státuszinformációk a processzor regisztereiben – Egyéb státuszinformációk (pl. erőforrásokkal kapcsolatos) – Egy végrehajtási szál (most éppen melyik utasítást kell végrehajtani)

• Kiindulás (most): az operációs rendszerek folyamatok szintjén ütemeznek (de már nem…) • Folyamat váltáskor a teljes folyamat környezetet meg kell őrizni – ez biztosítja a folytathatóságot!








Folyamatok állapotai • A folyamatok és a processzorok közötti (dinamikus) összerendelésről az ütemező gondoskodik, a kiválasztást különféle ütemezési algoritmusok végzik • A hatékony ütemezés megvalósítása értekében bevezetjük a folyamatok állapotának fogalmát • A legegyszerűbb modell szerint egy folyamatnak két állapota lehet: – Fut, azaz éppen birtokolja a processzort – Nem fut


Kétállapotú modell





Kritika: Nem tudjuk, hogy az éppen nem futó folyamat tudna-e futni egyáltalán


Három állapotú modell





Kritika: Nem tudjuk, a blokkolt folyamat milyen (melyik) erőforrásra vár!


Három állapotú modell bővítés


Három állapotú modell bővítés

Kritika: a folyamat létrehozása és megszüntetése nem végtelenül rövid tevékenység!


Öt állapotú modell


Hét állapotú modell


Valós állapot modellek (Unix)







Folyamatok közötti váltás • Okai – Időszelet letelte (Aktív ⇒ Futásra kész) – Blokkolódás I/O miatt (Aktív ⇒ Blokkolt) – Egyéb (pl. prioritások miatt)

• Megvalósítás (process switch) – Az éppen futó folyamat összes fontos adatának (környezetének) elmentése – A futásra kiválasztott folyamat környezetének visszaállítása – Vezérlés átadása az újonnan kiválasztott folyamatnak








Folyamatváltás háttere • A környezet mentés és visszaállítás minden esetben kernel kódot igényel • A váltás során általában a memória táblákat (virtuális memória kezelés) is módosítani kell • A folyamat váltás meglehetősen sok utasítás végrehajtását (CPU ciklus) igényli, „drága” tevékenység!


Mód váltás • Folyamat váltás során az érintett folyamat állapota megváltozik, másik folyamat lesz aktív (futó) • Bizonyos esetekben nem más folyamat, hanem a kernel kell, hogy fusson (pl. IRQ) • A folyamat folytatásához szükséges adatok ilyenkor is mentendők, de ez kevesebb, mint a teljes környezet (kevésbé „drága” tevékenység)! • Célszerű folyamat váltásról és mód váltásról külön beszélni!


Kernel kód futtatása (mód váltás)


Kernel kód futtatása (mód váltás) Mód váltás - kernel módba vált - kernel által használt adatokat menti - címtér nem változik, de kernel címtér elérhető - folyamat tovább futhat, státusza nem változik


Folyamat váltás - folyamat minden adatát menteni kell - címtér változik - a folyamat státusza változik, más folyamat fog futni

Folyamatok létrehozása (Win)


Végrehajtható fájl Végrehajtható fájl típus

Végrehajtás módja

Windows .exe

Közvetlenül

Win16 .exe

Ntvdm.exe program

MS-DOS .exe, .com, .pif Ntvdm.exe program MS-DOS .bat, .cmd

Cmd.Exe

POSIX kód

Posix.exe

OS/2 1.x kód

Os2.exe


Folyamatok létrehozása (Unix) • Teljesen eltérő megoldás (eléggé fura) • A program indítása két részből áll – Aktuális folyamat duplikálása (szülő-gyerek) – Az indítandó program betöltése a gyerek folyamat helyére

• Sokat kritizált, de a mai napig élő megoldás


Folyamat duplikálás – fork() mypid = fork() If(mypid == 0) { // Child printf(“%ld – I’m the parent\n”, getpid()) } else { // parent printf(“%ld – I’m the parent\n”, getpid()) }


Folyamat duplikálás – fork() mypid = fork() If(mypid == 0) { … … // Child mypid = fork() printf(“%ld – I’m the parent\n”, getpid()) if(mypid == 0){ } else { // child … // parent } elseprintf(“%ld { – I’m the parent\n”, getpid()) // parent } … }






Folyamat duplikálás – fork() mypid = fork() If(mypid == 0) { … … … … // Child mypid = fork() mypid = fork() printf(“%ld – I’m the parent\n”, getpid()) if(mypid == 0){ if(mypid == 0){ } else { // child // child … … // parent } elseprintf(“%ld { } else getpid()) { – I’m the parent\n”, // parent // parent } … … }


}



}



}

fork() tovább int a = 1; int b = 2; If(fork() == 0) { printf(“Gy:\t%d, %d\n”,a,b); a += 2; printf(“Gy:\t%d, %d\n”,a,b); } else { printf(“Sz:\t%d, %d\n”,a,b); sleep(1); printf(“Sz:\t%d, %d\n”,a,b); } Sunday, February 14, 2010

fork() tovább int a = 1; int b = 2; If(fork() == 0) { printf(“Gy:\t%d, %d\n”,a,b); a += 2; printf(“Gy:\t%d, %d\n”,a,b); } else { printf(“Sz:\t%d, %d\n”,a,b); sleep(1); printf(“Sz:\t%d, %d\n”,a,b); } Sunday, February 14, 2010

Gy: Sz: Gy: Sz:

1,2 1,2 3,2 1,2

fork() • A fork() hatására a teljes folyamat címterét és az erőforrás adatokat is duplikáljuk • A duplikálás után a címterek függetlenek, a változók külön élnek (a kezdőérték ua.) • A fájlokat mindkét folyamatból el lehet érni (ha mindkettőből írunk, akkor a kimenet összekeveredve jelenik meg)


exec() • A fork() érdekes, de hogyan indítunk új programot? • Az exec() hívás az éppen futó folyamat „helyére” tölt be (és indít el) egy programot • A pid nem változik és az erőforrás leírók is öröklődnek (pl. így működik a pipe a shellben)


Folyamat-leírók • Erőforrás menedzsment megvalósításához az operációs rendszernek elegendő információval kell rendelkeznie a folyamatok és az erőforrások mindenkori állapotáról • Ezt OS különböző táblázatok fenntartásával valósítja meg. Tipikus táblázatok: – – – –

Memória tábla (fizikai és VM is) I/O tábla Fájl tábla Folyamat tábla


Folyamat-leírók • Memória tábla (fizikai és VM is) – memória – folyamat összerendelés, – védelmi információk, – VM információk

• I/O tábla – Processz információ – Státusz – Memória info (pl. puffer terület)

• Fájl tábla – Adattartalma attól függ, hogy a fájlkezelés feladatai milyen módon oszlanak meg az OS és az alkalmazás között

• Folyamat tábla


Folyamat-leírók • A táblázatok függenek egymástól, hivatkoznak egymásra (pl. fájl és I/O, folyamat és mindegyik). • A táblázatokat inicializálni kell, meg kell határozni határértékeket. Ez történhet: – konfiguráció alapján (statikus) – dinamikusan


Operációs rendszer végrehajtása • Az operációs rendszer is egy program, amelyet a CPU hajt végre • A teljes rendszer működtetéséért az OS felel, önmagát teljesen nem menedzselheti (tyúk vagy tojás) • Operációs rendszer végrehajtási modellek – Nonprocess kernel – Folyamat címterében futó kód – Folyamat alapú kernel


Modellek • Nonprocess kernel – Folyamatok fogalma kernel szinten nincs – Kernel teljesen szeparált, saját törvényei szerint fut

• Folyamat címterében végrehajtott kernel kód – Mernel nem folyamat alapú, (user) folyamatok címterében fut – Minden folyamat címterében elérhető (folyamatok nem látják)

• Folyamat alapú kernel – Kernelt is folyamatokként valósítjuk meg • Kliens-szerver modell • többprocesszoros rendszeren is hatékony

– Kell egy folyamat váltási funkció, ami a folyamatok „alatt” fut


Kernel kód futtatása folyamat címterében


Folyamat alapú kernel


Mikrokernelek – miért? • Operációs rendszerek fejlődése – Teljesen monolitikus kód (több millió sor) – Struktúrált felépítésű, rétegelt kód – Mikrokernelek

• Miért nem eléggé jó a struktúrált kód? – Kernel módban a súlyos hibák végzetesek – Kernel kódot nehéz írni – A növekvő funkcionalitás miatt egyre több és több kód kell(ene)!


Hogyan is működnek az OS funkciók? • Különféle kernel funkciók (pl. lapcsere memóriakezelés esetén) – Döntés (politika): lap helyének kiválasztása – Végrehajtás: a tényleges lapbetöltés

• A végrehajtás tipikusan hardver közeli, de a döntés nem igazán ⇒ ha megfelelő adatok rendelkezésre állnak, a döntési rész akár kernelen kívül is futhat(na)


Mikrokernel: A kernel csak az alapfunkciókat tartalmazza, a kód többi részét felhasználói módban futó szolgáltatások valósítják meg. Erősségei: – Egységes interfész – Bővíthető – Flexibilis – Hordozható – Megbízható – Elosztott rendszerek támogatása – OO támogatása


Tipikus mikrokernel (alap)funkciók • • • •

Alacsonyszintű memória menedzsment IPC IRQ kiszolgálás I/O kezelés (alacsony szinten)


Mikrokernel


Mikrokernel: A kernel csak az alapfunkciókat tartalmazza, a kód többi részét felhasználói módban futó szolgáltatások valósítják meg. Gyenge pontok: – Kernel és felhasználói mód közötti váltás erőforrás igényes (lassúság) ⇒ kernelbe épített funkciók aránya – Teljesen új koncepció, gyakorlatilag nulláról újra kell írni a rendszereket

Az igazán elterjedt rendszerekben tisztán nem igazán lehet találkozni vele


Operációs Rendszerek II

Recommend Documents