Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình

Hệ Điều Hành

(Nguyên lý các hệ điều hành)

Đỗ Quốc Huy

huydq@soict.hust.edu.vn

Bộ môn Khoa Học Máy Tính

Viện Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông

Chương 2 Quản lý tiến trình

① Định nghĩa tiến trình

Chương 2 Quản lý tiến trình

Tiến trình (nhắc lại)

lKhi chương trình đang thực hiện

l Được cung cấp tài nguyên (CPU, bộ nhớ, thiết bị vào/ra. . .) để hoàn thành

công việc

l Tài nguyên được cấp khi:

l Bắt đầu chương trình

l Trong khi chương trình đang thực hiện

lGọi là tiến trình (process)

lHệ thống bao gồm tập các tiến trình thực hiện đồng thời

l Tiến trình hệ điều hành Thực hiện mã lệnh hệ thống

l Tiến trình người dùng Thực hiện mã lệnh người dùng

lTiến trình có thể chứa một hoặc nhiều tiểu trình

lTrách nhiệm của Hệ điều hành:

l Đảm bảo họat động của tiến trình và tiểu trình (luồng)

l Tạo/xóa tiến trình (người dùng, hệ thống)

l Điều phối tiến trình

l Cung cấp cơ chế đồng bộ, truyền thông và ngăn ngừa tình trạng bế tắc

giữa các tiến trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

① Tiến trình

② Luồng (Thread)

③ Điều phối CPU

④ Tài nguyên găng và điều độ tiến trình

⑤ Bế tắc và xử lý bế tắc

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

lKhái niệm tiến trình

lĐiều phối tiến trình (Process Scheduling)

lThao tác trên tiến trình

lHợp tác tiến trình

lTruyền thông liên tiến trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

* Trạng thái hệ thống

l Vi xử lý: Giá trị các thanh ghi

l Bộ nhớ: Nội dung các ô nhớ

l Thiết bị ngoại vi: Trạng thái thiết bị

l Thực hiện chương trình ⇒Trạng thái hệ thống thay đổi

l Thay đổi rời rạc, theo từng câu lệnh được thực hiện

l Tiến trình là một dãy thay đổi trạng thái của hệ thống

l Xuất phát từ một trạng thái ban đầu

l Chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện

theo yêu cầu nằm trong chương trình của người sử dụng

Tiến trình là sự thực hiện chương trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Tiến trình >< chương trình

l Chương trình: thực thể thụ động (nội dung file trên đĩa)

l Mã chương trình: Lệnh máy (CD2190EA...)

l Dữ liệu:

l Biến được lưu trữ và sử dụng trong bộ nhớ

l Biến toàn cục

l Biến được cung cấp động (malloc, new,..)

l Biến stack (tham số hàm, biến cục bộ)

l Thư viện liên kết động (DLL)

l Không được dịch & liên kết cùng với chương trình

Khi chương trình đang thực hiện, tài nguyên tối thiểu cần có

l Bộ nhớ cho mã chương trình và dữ liệu

l Các thanh ghi của VXL phục vụ cho quá trình thực hiện

l Tiến trình: thực thể chủ động (bộ đếm lệnh, tập tài nguyên)

Một chương trình có thể

l Chỉ là một phần của trạng thái tiến trình

l Một chương trình, nhiều tiến trình( bộ dữ liệu khác nhau)

VD: gcc hello.c || gcc baitap.c

l Gọi tới nhiều tiến trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Dịch và thực hiên một chương trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Dịch và thực hiên một chương trình

l Hệ điều hành tạo một tiến trình và phân phối vùng nhớ cho nó

l Bộ thực hiện (loader/exec)

l Đọc và dịch (interprets) file thực thi (header file)

l Thiết lập không gian địa chỉ cho tiến trình để chứa mã lệnh và dữ liệu

từ file thực thi

l Đặt các tham số dòng lệnh, biến môi trường (argc, argv, envp) vào

stack

l Thiết lập các thanh ghi của VXL tới các giá trị thích hợp và gọi hàm

"_start()" (hàm của hệ điều hành)

l Chương trình bắt đầu thực hiện tại "_start()". Hàm này gọi tới

hàm main()(hàm của chương trình)

⇒"Tiến trình" đang thực hiện, không còn đề cập đến "chương

trình" nữa

l Khi hàm main() kết thúc, OS gọi tới hàm "_exit()" để hủy bỏ tiến

trình và thu hồi tài nguyên

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Trạng thái tiến trình

Khi thực hiện, tiến trình thay đổi trạng thái

l Khởi tạo (New) Tiến trình đang được khởi tạo

l Sẵn sàng (Ready) Tiến trình đang đợi sử dụng processor vật

lý

l Thực hiện (Running) Các câu lệnh của tiến trình đang được

thực hiện

l Chờ đợi (Waiting) Tiến trình đang chờ đợi một sự kiện nào

đó xuất hiện (sự hoàn thành thao tác vào/ra)

l Kết thúc (Terminated) Tiến trình thực hiện xong

Trạng thái của tiến trình là một phần trong hoạt động hiện tại

của tiến trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Lưu đồ thay đổi trạng thái tiến trình (Silberschatz 2002)

Hệ thống có một processor

l Có duy nhất một tiến trình ở trạng thái thực hiện

l Có thể có nhiều tiến trình ở trạng thái chờ đợi hoặc sẵn sàng

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Khối điều khiển tiến trình (PCB: Process Control Block)

l Mỗi tiến trình được thể hiện trong hệ thống bởi một khối điều khiển tiến

trình

l PCB: cấu trúc thông tin cho phép xác định duy nhất một tt

l Trạng thái tiến trình

l Bộ đếm lệnh

l Các thanh ghi của CPU

l Thông tin dùng để điều

phối tiến trình

l Thông tin quản lý bộ nhớ

l Thông tin tài nguyên có thể

sử dụng

l Thông tin thống kê

l Con trỏ tới một PCB khác

l . . .

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Danh sách tiến trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Khái niệm tiến trình

Tiến trình đơn luồng và tiến trình đa luồng

l Tiến trình đơn luồng : Là chương trình thực hiện chỉ một

luồng thực thi

⇒ Cho phép thực hiện chỉ một nhiệm vụ tại một thời điểm

l Tiến trình đa luồng : Là tiến trình có nhiều luồng thực thi

⇒ Cho phép thực hiện nhiều hơn một nhiệm vụ tại một thời

điểm

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.1. Điều phối tiến trình

* Khái niệm tiến trình

* Điều phối tiến trình (Process Scheduling)

* Thao tác trên tiến trình

* Hợp tác tiến trình

* Truyền thông liên tiến trình

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.2. Điều phối tiến trình

Giới thiệu

Mục đích Sử dụng tối đa thời gian của CPU

⇒ Cần có nhiều tiến trình trong hệ thống

Vấn đề Luân chuyển CPU giữa các tiến trình

⇒ Phải có hàng đợi cho các tiến trình

Hệ thống một processor

⇒ Một tiến trình thực hiện

⇒ Các tiến trình khác phải đợi tới khi CPU tự do

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.2. Điều phối tiến trình

Các hàng đợi tiến trình I

Hệ thống có nhiều hàng đợi dành cho tiến trình

l Job-queue Tập các tiến trình trong hệ thống

l Ready-Queue Tập các tiến trình tồn tại trong bộ nhớ, đang sẵn sàng và

chờ đợi để được thực hiện

l Device queues Tập các tiến trình đang chờ đợi một thiết bị vào ra.

Phân biệt hàng đợi cho từng thiết bị

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.2. Điều phối tiến trình

Các hàng đợi tiến trình II

l Các tiến trình di chuyển giữa hàng đợi khác nhau

l Tiến trình mới tạo, được đặt trong hàng đợi sẵn sàng, và đợi cho tới khi

được lựa chọn để thực hiện

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.2. Điều phối tiến trình

Các hàng đợi tiến trình III

l Tiến trình đã được chọn và đang thực hiên

① Đưa ra một yêu cầu vào ra: đợi trong một hàng đợi thiết bị

② Tạo một tiến trình con và đợi tiến trình con kết thúc

③ Hết thời gian sử dụng CPU, phải quay lại hàng đợi sẵn sàng

l Trường hợp (1&2) sau khi sự kiện chờ đợi hoàn thành,

l Tiến trình sẽ chuyển từ trạng thái đợi sang trạng thái sẵn sàng

l Tiến trình quay lại hàng đợi sẵn sàng

l Tiến trình tiếp tục chu kỳ (sẵn sàng, thực hiện, chờ đợi) cho tới khi kết

thúc

l Xóa khỏi tất cả các hàng đợi

l PCB và tài nguyên đã cấp được giải phóng

Chương 2 Quản lí tiến trình

1. Tiến trình

1.2. Điều phối tiến trình

Bộ điều phối (Scheduler)

Lựa chọn tiến trình trong các hàng đợi

l Điều phối công việc (Job scheduler; Long-term scheduler)

l Điều phối CPU (CPU scheduler; Short-term scheduler)

Bài giảng Hệ điều hành - Chương 2: Quản lý tiến trình - Đỗ Quốc Huy