‫שבוע ‪#3‬‬ ‫תהליכים חלק א'‬ ‫קורס מערכות הפעלה א'‪:‬‬ ‫תכנות מערכת ומבוא לתכנות מקבילי‬ ‫מכללת הדסה ‪ -‬מכללה חרדית‬ ‫צבי מלמד‬ ‫‪[email protected]‬‬ ‫הרצאות הקורס מבוססות במידה רבה ביותר על ההרצאות של ד"ר יורם ביברמן‬ ‫© כל הזכויות שמורות לד"ר יורם ביברמן ולצבי מלמד‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪1‬‬ ‫הנושאים בהרצאה זאת )שבוע ‪(#3‬‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫מבוא‬ ‫מושג התהליך‬ ‫התהליך‬ ‫מתי תהליך נוצר‬ ‫מתי תהליך מסתיים‬ ‫מצב התהליך‬ ‫הערות לגבי לגבי מצבי התהליך‬ ‫‪ – PCB‬גוש בקרת תהליך‬ ‫מתזמנים ‪schedulers‬‬ ‫החלפת הקשר ‪context switch‬‬ ‫פעולות על תהליכים‬ ‫יצירת תהליך‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪2‬‬ ‫מבוא‬ ‫במערכות ‪) time-sharing‬נקראות גם‪:(multi-tasking :‬‬ ‫•‬ ‫המחשב מריץ מספר תכניות המצויות בו זמנית בזיכרון‬ ‫•‬ ‫אשלית מקבילות על ידי הרצת כל תכנית לסירוגין למשך זמן קצר == שיתוף‬ ‫זמן‪.‬‬ ‫•‬ ‫זה אכלא! אבל‪ ...‬נדרש הרבה בכדי לאפשר זאת ‪ -‬שהתכניות לא תפגענה זו‬ ‫בזו‪:‬‬ ‫– פעולות כגון הקצאת זכרון‪ ,‬ביצוע קו"פ‪ ,‬ייצור תוכנית נוספת להרצה –‬ ‫צריכות להתבצע על ידי מערכת ההפעלה‬ ‫•‬ ‫התוצאה‪ :‬מושג התהליך ≈ תכנית מורצת‪ .‬או יחידת העבודה‪' ,‬ישות'‪ ,‬במערכת‬ ‫שיתוף זמן מודרנית‪.‬‬ ‫•‬ ‫גרעין מערכת ההפעלה אחראי על ניהול התהליכים‪ ,‬הקצאת הזיכרון הראשי‪,‬‬ ‫ניהול הציוד‪ ,‬ומשימות קריטיות נוספות‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪3‬‬ ‫מושג התהליך‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫במערכת אצווה )‪ (batch‬הריצו ג'ובים אחד אחרי השני‪ .‬בהסתיים ג'וב מסוים ‪-‬‬ ‫מערכת ההפעלה בחרה את הג'וב הבא מבין הממתינים‬ ‫‪ ‬כשהג'וב המורץ מבצע ק\פ המעבד מושבת ‪‬‬ ‫השיפור‪:‬‬ ‫– מערכת ריבוי תכניות )‪ (multiprogramming‬בזיכרון יוחזקו כמה‬ ‫תכניות\ג'ובים במקביל‪.‬‬ ‫– כאשר ג'וב א' מבצע ק\פ‪ ,‬יריץ המעבד את ג'וב ב'‪.‬‬ ‫– ג'וב מוותר על המעבד מרצונו הטוב‬ ‫שיפור נוסף‪:‬‬ ‫– לאחר ‪ X‬יחידות זמן שבהם רץ ג'וב א' ‪ -‬המעבד יעבור לבצע את‬ ‫ג'וב\תהליך\משימה ב' – גם ללא פניה לקו"פ‬ ‫– או – מפסיקים את פעולתו של א' בגלל עדיפות גבוהה יותר של ג'וב ב'‬ ‫– לשיטה זאת אנו קוראים‪ :‬שיתוף זמן )‪.(time sharing‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪4‬‬ ‫התהליך‬ ‫• תהליך =≈ תכנית בהרצה‬ ‫• מבחינת מערכת ההפעלה‪ :‬ישות שניתן להקצות לה משאבים‬ ‫• תהליכים כמו "אנשים" ‪ :‬נולדים‪ ,‬חיים‪ ,‬עשויים להוליד‬ ‫מספר ילדים‪ ,‬מתים‪.‬‬ ‫• שלא כמו אנשים‪:‬‬ ‫– "זכר ונקבה ברא אותם" – לא את התהליכים‪ ..‬יש רק‬ ‫הורה אחד‬ ‫– אין עולם הבא‪...‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪5‬‬ ‫התהליך‬ ‫• לכל תהליך מרחב כתובות‬ ‫)‪ (address space‬שלו –‬ ‫אליהן‪ ,‬ורק אליהן‪ ,‬הוא רשאי‬ ‫לפנות‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪6‬‬ ‫מרחב הכתובות )‪ (address space‬של התהליך‬ ‫‪ - text segment .1‬פקודות התכנית )בשפת מכונה( = ]בד"כ מוגן מפני כתיבה[‬ ‫‪ - Stack .2‬מחסנית )פרמטרי התוכנית‪ ,‬קריאות לפונקציות ומשתנים לוקליים(‬ ‫‪ heap .3‬ערמה )להקצאה דינאמית(‬ ‫‪ – data section .4‬משתנים סטטיים וגלובליים‬ ‫‪ (block started by symbol) bss .5‬משתנים גלובליים וסטטיים שאינם מאותחלים‬ ‫)וע"כ אינם נשמרים ב ַ קובץ המכיל את התכנית(‬ ‫‪ .6‬מרכיבים נוספים )נכיר בהמשך(‬ ‫‪ .7‬מידע נוסף על התהליך )רשימת קבצים שפתח‪ ,‬עדיפות‪ ,‬זמן ריצה‪ ,‬מצב האוגרים‬ ‫ב‪ context switch-‬האחרון‪] - ( .. ,‬מתוחזק על ידי מערכת ההפעלה[‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪7‬‬ ‫מרחב הכתובות של התהליך ‪ -‬הערות‬ ‫• לוגית ‪ -‬רציף בזיכרון‪,‬‬ ‫• פיזית – אינו רציף‪ .‬מחולק לדפים‪ .‬מנגנון ‪Paging‬‬ ‫• כשתהליך מוליד תהליכים ילדים – כל אחד מהם נולד עם עותק‬ ‫זהה של אביו‪ .‬זהה אך נפרד!‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪8‬‬ ‫מתי תהליך נוצר‬ ‫•‬ ‫בתהליך העליה )‪ (boot‬של מערכת ההפעלה‪ ,‬היא מייצרת את‬ ‫התהליך )כמעט( הראשון במערכת‪ ,INIT, pid=1 :‬אשר רץ לנצח‪.‬‬ ‫•‬ ‫כשעושים ‪ :login‬תהליך ‪ INIT‬מייצר בן = ה‪ .login shell :‬אשר‬ ‫עובר 'מוטציה' ונהפך מעותק של ‪ INIT‬ל‪shell :‬‬ ‫•‬ ‫הקלדת פקודה‪ :‬ה‪ shell -‬מייצר תהליך שמריץ את התכנית‬ ‫)פקודה =≈ תוכנית ‪ +‬ארגומנטים(‪.‬‬ ‫•‬ ‫תהליכים נוספים נוצרים על ידי מערכת ההפעלה או תוכניות‬ ‫משתמש ממגוון סיבות )לספק שירותים‪ ,‬הפעלה מקבילית‪ ..‬וכו'(‬ ‫•‬ ‫‪ script‬מייצר סדרתית תהליכים‪ ,‬על פי הפקודות והריצה בקובץ‬ ‫ה‪script-‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪9‬‬ ‫מתי תהליך מסתיים‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫תהליך נולד ומת ב‪Kernel-mode -‬‬ ‫תהליך מסתיים במקרים הבאים‪:‬‬ ‫‪ (1‬הוא סיים את פעולתו )בהצלחה או בגלל שנכשל( וביצע קריאת מערכת )(‪.exit‬‬ ‫‪ (2‬הוא מועף ע"י מערכת ההפעלה בגלל בעית ריצה‪:‬‬ ‫‪ (a‬חלוקה באפס‬ ‫‪ (b‬חריגה מהזיכרון‬ ‫‪ (c‬עבר עת מכסת הזמן שהוקצתה לו‬ ‫‪ (d‬ניסה להגדיל קובץ מעבר למותר‬ ‫‪ (e‬ניסה לבצע פקודה מיוחסת )‪ (priviledged‬ב‪user-mode-‬‬ ‫‪ (3‬מערכת ההפעלה "צוותה עליו" להסתיים 'שלא בעוונותיו'‪ :‬חסימה הדדית‪.‬‬ ‫‪ (4‬אביו החליט )מסיבות השמורות עימו( להרגו‪.‬‬ ‫‪ (5‬המשתמש עשה ‪.logout‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪10‬‬ ‫מצבי התהליך‬ ‫מצב התהליך ≈ מה התהליך עושה עתה‪.‬‬ ‫מצבים אפשריים של תהליך‪:‬‬ ‫‪ - New .1‬חדש – התהליך נוצר )'נולד'(‪ .‬מוקצים לו מבני הנתונים‬ ‫הדרושים שיאפשרו לו 'חיים' =לרוץ במערכת‪.‬‬ ‫‪ .2‬התהליך רץ במצב משתמש )‪ =(running, user mode‬הוא זכה‬ ‫במעבד‪ ,‬ורץ‬ ‫‪ .3‬רץ במצב גרעין )‪ – (running, kernel mode‬בוצעה בקשת שירות =‬ ‫קריאת מערכת )שגרמה לשינוי(‪ .‬הבקרה עוברת לקטע קוד של מערכת‬ ‫ההפעלה‪.‬‬ ‫‪ .4‬חסום\ישן )‪ - (blocked/sleeping‬התהליך ממתין לאירוע כלשהו )יוזן‬ ‫לו נתון‪ ,‬יישלח לו סיגנל(‪ .‬למצב זה נעבור ממצב ג'‪.‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪11‬‬ ‫מצבי התהליך‬ ‫‪ .5‬תהליך מוכן להרצה )‪ – (ready‬התהליך ממתין שהמעבד יוקצה לו‪.‬‬ ‫•‬ ‫המעבר למצב זה ממצב ד' – "קרה כבר" האירוע שהתהליך חיכה לו‬ ‫•‬ ‫מעבר ממצב ב' – הסתיים קוואנטום הזמן‪ ,‬והמעבד הוקצה לתהליך אחר‬ ‫•‬ ‫)בגירסאות לינוקס לפני ‪ 2.6‬לא היה אפשרי "לגזול" את המעבד(‬ ‫‪ .6‬סיים ‪– zombie‬ביצע ‪) exit‬ק‪.‬מ‪ (.‬וממתין שאביו יתעניין בגורלו‪ ,‬ורק‬ ‫אז הוא יעלם סופית מהמערכת‪) .‬המעבר לכאן ממצב ג'(‪.‬‬ ‫•‬ ‫האב מקבל הודעה )‪ (Signal‬שהבן שלו מת‬ ‫•‬ ‫האב מוציא קריאה )(‪ wait‬או )(‪ – waitpid‬בכדי לקבל נתונים על מצב‬ ‫הבן שסיים )או יסיים( לרוץ‪ .‬מערכת ההפעלה אינה "מחסלת" את‬ ‫התהליך‪ ,‬כי אולי האב זקוק לנתונים אלו‪.‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪12‬‬ ‫מצבי התהליך‬ ‫‪ .6‬מושהים ‪ - suspend‬בשל עומס על המערכת‪ ,‬תהליך 'חסום'‬ ‫או 'מוכן' מוּצא מהזיכרון לדיסק )אשר מהווה מעין הרחבה‬ ‫של הזיכרון(‪.‬‬ ‫•‬ ‫מבחינים בין התהליכים החסומים )‪ (Blocked‬והמוכנים‬ ‫)‪ :(Ready‬האם הם בזכרון הראשי או מושהים‬ ‫•‬ ‫עירור ‪ - activation‬הכנסה של תהליך מושהה לזיכרון‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪13‬‬ ‫דיאגרמת מצבי תהליך – ‪process state chart‬‬ ‫עד כאן –‬ ‫יום ד' ‪16.11.11‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪14‬‬ ‫הערות לגבי לגבי מצבי התהליך‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫תהליכים מוכנים‪ :‬נחלק למוכנים במצב גרעין לעומת מוכנים‬ ‫במצב משתמש‪.‬‬ ‫למעשה את התהליכים הממתינים\חסומים אנו מחלקים‬ ‫לקבוצות‪ ,‬קבוצות )תורים‪ ,‬תורים( ע"פ האירוע לו התהליכים‬ ‫ממתינים )ק"פ מציוד א'‪ ,‬קלט מהעכבר‪ ,‬נתונים מהרשת(‪.‬‬ ‫כל תור מכיל רשימת מתארים )‪ (PCB‬של התהליכים הממתינים‬ ‫"אצלו"‪.‬‬ ‫חלק מהטיפול בפסיקה הוא‪ ,‬במידת הצורך‪ ,‬העברת התהליך‬ ‫המתאים מהתור בו הוא המתין לתור אחר )הפסיקה מטופלת בלי‬ ‫קשר לתהליך שמורץ באותו רגע(‬ ‫תהליך נולד ומת במצב גרעין‪.‬‬ ‫©צבי מלמד‬ ‫‪15‬‬