Informatik-II: Prozesse und Threads

Prozesse und Threads

• Ein Prozess ist ein Programm, das im Stadium der Ausführung ist.
  • Ein Prozess ist gekennzeichnet durch:
    • Systemressourcen (z.B. Speicher, geöffnete Dateien, Geräte)
    • Aktueller Wert des Programmzählers und CPU-Register
    • Aktuelle Werte der Variablen
  • Prozesse können auch als Tasks bezeichnet werden.

Multiprogramming/Multitasking

• Ausführung mehrerer Programme (Prozesse) auf einem Rechner, wobei sich mehrere Prozesse eine CPU teilen.
• Auf Mehrprozessormaschinen („Multi-Core“) können mehrere Prozesse echt parallel ausgeführt werden.
• Wenn sich mehrere Prozesse eine CPU teilen müssen, spricht man von Quasi-Parallelität.
• Die Auslastung des Rechners wird erhöht, wenn Prozesse einen Großteil der Zeit mit Warten, insbesondere auf E/A-Operationen, verbringen.

Mechanismen und Strukturen für die Prozessverwaltung

• Ein Betriebssystem muss Mechanismen bereitstellen, um:
  • Prozesse zu starten und zu beenden
  • zu entscheiden, welcher Prozess wann (und auf welchem Prozessor/CPU) ausgeführt wird
  • mehrere Prozesse simultan im Hauptspeicher zu halten
  • bei konkurrierenden Zugriffen auf gemeinsame Speicherbereiche Konflikte zu vermeiden
• Ein Betriebssystem muss Strukturen implementieren, um die aktiven Prozesse zu verwalten:
  • Queues (Warteschlangen)
  • Prozess-Image und Prozess Control Block (PCB)

Prozess-Erzeugung

• Ein Prozess kann durch folgende Ereignisse erzeugt werden:
  • Initialisierung des Systems
  • Systemaufruf zur Erzeugung eines Prozesses durch einen anderen Prozess
  • Benutzeranfrage
• Ein Prozess wird in der Regel durch einen anderen, bereits vorhandenen, Prozess erzeugt:
  • Eltern-Prozess (Parent Process): erzeugender Prozess
  • Kind-Prozess (Child Process): erzeugter Prozess

Prozess-Terminierung

• Die 4 häufigsten Ursachen für die Beendigung eines Prozesses:
  • Normales Beenden (freiwillig): Der Prozess hat seine Arbeit verrichtet und ist nun fertig.
  • Beenden aufgrund eines Fehlers (freiwillig): Der Prozess erkennt einen Fehler und stellt eine Anfrage an das Betriebssystem zur Beendigung.
  • Beenden aufgrund eines schwerwiegenden Fehlers (unfreiwillig): Der Prozess verursacht einen schweren Fehler, so dass das Betriebssystem den Prozess beendet.
  • Beenden durch einen anderen Prozess (unfreiwillig): Ein Prozess kann mittels entsprechender Systemaufrufe andere Prozesse terminieren.

Prozess-Zustandsmodell

• Das Prozess-Zustandsmodell beschreibt die möglichen Zustände, in denen sich ein Prozess befinden kann:
  • new: Der Prozess wurde vom Betriebssystem erzeugt.
  • ready: Der Prozess ist zur Ausführung bereit.
  • running: Der Prozess wird momentan ausgeführt.
  • blocked: Der Prozess wartet auf ein Ereignis.
  • exit: Die Beendigung des Prozesses wurde initiiert.
• Das Prozess-Zustandsmodell beschreibt auch die möglichen Zustandsübergänge zwischen den Zuständen.

Prozess-Strukturen: Prozess-Abbild (Process Image)

• Ein Prozess-Abbild (Process Image) enthält alle Informationen, die zur Ausführung eines Prozesses durch das Betriebssystem erforderlich sind:
  • Speicherinhalt des Prozesses
  • Prozessattribute: Welche Attribute charakterisieren einen Prozess und Wo ist der Prozess lokalisiert?
• Ein Prozess-Abbild besteht aus:
  • Code-Bereich: Programmcode und statische Daten des Prozesses
  • User-Stack und Heap: lokale Variablen und dynamisch erzeugte Daten
  • System Stack (auch Kernel Stack): Parameter für Systemaufrufe

Prozesskontrollblock (PCB)

• Ein Prozesskontrollblock (PCB) ist eine Datenstruktur, die von einem Betriebssystem verwendet wird, um einen Prozess zu verwalten.
• Ein PCB enthält Informationen über:
  • Prozessidentifikation
  • Prozess-Statusinformationen
  • Prozess-Kontrollinformationen
• Ein PCB wird von einem Betriebssystem verwendet, um Prozesse zu verwalten und kontrollieren zu können.

Prozesskontrolle: Prozess-Unterbrechungen

• Prozess-Unterbrechungen:
  • Eine Unterbrechung des laufenden Prozesses wird durch bestimmte Ereignisse oder Aktionen ausgelöst.
  • Die Übertragung der Kontrolle an das Betriebssystem wird durch eine Unterbrechungsroutine eingeleitet.
  • Es gibt 3 unterschiedliche Ursachen für den Aufruf von Unterbrechungsroutinen:
    • Interrupts (Externe Ereignisse)
    • Traps (auch SW-Interrupts, Exceptions)
    • Systemaufruf (Supervisor-Call)### Prozesskontrolle
• Ein Systemaufruf (in Form eines SW-Interrupts oder "Trap") kann zu einer Prozess-Unterbrechung führen, die häufig blockierend ist.
• Beispiele für Interrupts:
  • Periodischer Takt (Timer): Überprüfung, ob der aktuell ausgeführte Prozess sein Zeitkontingent verbraucht hat.
  • E/A-Ereignis nach erfolgreicher Eingabe-/Ausgabe: Der Prozess, der auf die Beendigung der E/A-Aktion gewartet hat, wird in die "ready"-Queue verschoben.
  • Speicherfehler (z.B. bei virtuellem Speicher mit Paging): Die referenzierte (virtuelle) Adresse befindet sich nicht im physischen Hauptspeicher (Page Fault).

Thread-Konzept

• Das Thread-Konzept ist ein Konzept, das in modernen Betriebssystemen zur Ausführung von Prozessen eingesetzt wird.
• Moderne Betriebssysteme unterstützen ein Ausführungskonzept, bei dem die Ausführung von Anwendungen (Prozessen) in Form von Threads stattfindet.
• Vorteile des Thread-Konzepts:
  • Nebenläufige/parallele Anwendungen können entwickelt werden, die aus mehreren nebenläufigen Threads (Abarbeitungs- bzw. Ausführungsfäden) bestehen, die die Ressourcen der zugehörigen Anwendung (Prozess) gemeinsam nutzen.
  • Die Kommunikation zwischen diesen Ausführungsfäden (Threads) ist erleichtert, da alle Threads eines Prozesses auf den gemeinsamen Prozess-Adressraum zugreifen können.

Zusammenhang: Prozess – Thread

• Ein Prozess besitzt Ressourcen (virtueller Adressraum, Process Image, etc.) und ist eine Ausführungseinheit (mit Ausführungszuständen und Priorität).
• Ein Thread ist eine Ausführungseinheit (Faden) innerhalb eines Prozesses, der den Code der jeweiligen Threads ausführt.
• Gemeinsamer Adressraum bei Multithreading: Alle Threads eines Prozesses nutzen den gleichen Adressraum und können auf die gleichen Daten und Ressourcen zugreifen.

Singlethreading vs. Multithreading

• Singlethreading: Ein Prozess besitzt genau einen Thread.
• Multithreading: Ein Prozess kann mehrere Threads haben, die jeweils den Code der jeweiligen Threads ausführen.
• Vorteile von Multithreading:
  • Die Generierung eines neuen Threads in einem existierenden Prozess ist in einigen Betriebssystemen schneller als die Generierung eines neuen Prozesses.
  • Der Wechsel zwischen den Threads eines Prozesses geht i.d.R. schneller als ein Prozesswechsel.
  • Die Kommunikation zwischen den Threads eines Prozesses verläuft häufig ohne Beteiligung des Kernels.

Multithreading – Vorteile

• Vorteile des Multithreading-Programmiermodells:
  • Parallele Ausführung von Anwendungen auf mehreren CPUs
  • Quasi-parallele Ausführung mehrerer, z.T. blockierender, Abläufe innerhalb einer Anwendung
  • Die Anwendung kann im Hintergrund gleichzeitig mit mehreren unterschiedlichen Peripheriegeräten kommunizieren

Multithreading – Herausforderungen

• Herausforderungen bei Multithreading:
  • Datenkonsistenz: Mehrere Threads können auf dieselben Daten zugreifen, daher müssen Race Conditions vermieden werden.
  • Zugriff auf beschränkte Betriebsmittel: Der Zugriff auf Geräte, Dateien etc. muss zeitlich koordiniert werden, um Zugriffkonflikte zu vermeiden.
  • Zusammenarbeit der Threads: Die Threads müssen koordiniert werden, um einen geordneten Ablauf der nebenläufigen Ausführungspfade zu gewährleisten.

Multithreading – Thread-Synchronisation

• Notwendigkeit der Thread-Synchronisation:
  • Alle Threads eines Prozesses teilen sich den Adressraum und die Ressourcen des zugehörigen Prozesses.
  • Die Threads müssen synchronisiert werden, um sich gegenseitig nicht zu stören oder gemeinsame Datenstrukturen zu beschädigen.
• Die Verfahren zur Synchronisation von Threads sind mit den Verfahren, die für Prozesse zum Einsatz kommen, weitestgehend identisch.

Fallbeispiel: Thread-Konzept im Linux-Betriebssystem

• Die POSIX Thread-Library für C/C++ erlaubt die Implementierung von multithreaded Anwendungen für unterschiedliche Betriebssysteme, die Multithreading und die POSIX-Schnittstelle unterstützen.
• Funktionen der POSIX Thread-Library:
  • pthread_create: Erzeugt einen neuen Thread.
  • pthread_exit: Beendet einen Thread.
  • pthread_cancel: Beendet einen Thread durch einen anderen Thread.
  • pthread_join: Wartet, bis der angegebene Thread beendet ist.
  • pthread_self: Ermittelt die eigene Thread-ID durch einen Thread.
  • pthread_equal: Ermittelt, ob zwei Thread-IDs identisch sind.

Erfahren Sie, wie Betriebssysteme Programme ausführen und lernen Sie, die Begriffe Prozess und Thread zu unterscheiden.