Proceset vs. Thread-et, Gara dhe Sinkronizimi

Sistemet Operative

• Sistemet Operative (SO) janë softuerë që menaxhojnë harduerin e kompjuterit.
• SO ofron një bazë për programet aplikative.
• SO luan rolin e ndërmjetësuesit ndërmjet përdoruesit dhe harduerit.
• Kompjuteri ndahet në katër pjesë: hardueri, sistemi operativ, programet aplikative dhe shfrytëzuesi.
• SO është program kontrolli, që menaxhon ekzekutimin e programeve të shfrytëzuesit.
• SO parandalon gabimet dhe përdorimin jo të duhur të kompjuterit. Shënim: SO merret me punën dhe kontrollin e pajisjeve hyrëse/dalëse.
• Qëllimi themelor i sistemeve kompjuterike është ekzekutimi i programeve dhe lehtësimi i zgjidhjes së problemeve të shfrytëzuesit.

Kerneli dhe Llojet e Softuerëve

• Kerneli është pjesa e sistemit ku ekzekutohen proceset. Përkufizim: Ekzistojnë dy lloje softuerësh:
  • Programet e sistemit, pjesë e sistemit operativ, por jo domosdoshmërisht të kernelit.
  • Programet aplikative, që përfshijnë të gjitha programet që nuk janë pjesë e sistemit operativ.
• Middleware është një bashkësi kornizash për zhvillimin e softuerit. Përkufizim: Ofron shërbime shtesë për zhvilluesit e aplikacioneve.
• Kompjuteri ka nevojë për një program fillestar, i njohur si bootstrap, që zakonisht është i thjeshtë.
• Bootstrap ruhet brenda harduerit si firmware dhe fillon të gjitha pjesët e sistemit kompjuterik. Shënim: Fillimi nis nga regjistrat e CPU-së deri te kontrolluesit e pajisjeve të përmbajtjes së memories.

Bootstrap dhe Programet Daemon

• Programi bootstrap duhet të vendosë sistemin operativ në memorien DRAM dhe të fillojë punën.
• Programi bootstrap gjen kernelin e sistemit operativ në disk dhe e vendos atë në memorien DRAM.
• Programet daemon ekzekutohen gjatë gjithë kohës në kernel.
• Ndërprerja trap (ose exception) shkaktohet nga softueri ose nga gabime të mundshme, ose kërkesa specifike të një programi shfrytëzuesi që kërkon një shërbim të sistemit operativ.
• System call (thirrje sistemore) është një operacion i veçantë i ekzekutuar për shërbime sistemore.

Multiprogramimi dhe Multitasking

• Multiprogramimi rrit përdorimin e CPU-së duke organizuar ekzekutimin e programeve.
• CPU-ja duhet të ketë gjithmonë një program gati për ekzekutim.
• Një program që ekzekutohet në sistem me multiprogramim njihet si proces.
• Multitasking është një zgjerim i multiprogramimit.
• Në sistemet me multitasking, CPU ekzekuton shumë procese duke kaluar shpesh nëpër to. Shënim: Ofrimi i shfrytëzuesit një kohë reagimi të shkurtër.

Mënyrat e Ndara të Punës

• Ekzistojnë dy mënyra të ndara të punës: Mënyra e shfrytëzuesit (ose user mode) dhe mënyra e kernelit (ose supervisor mode). Shënim: Një bit, i quajtur mode bit, i shtohet harduerit për të treguar mënyrën aktuale të punës: kerneli (me bitin 0) ose shfrytëzuesi (me bitin 1).
• Biti i mënyrës dallon një punë që kryhet për sistemin operativ dhe një punë që kryhet nga shfrytëzuesi.
• Në fillim, hardueri fillon në mënyrën e kernelit.
• Sistemi operativ vendoset në memorien DRAM dhe fillon programet e shfrytëzuesit në mënyrën e shfrytëzuesit.
• Kur paraqitet një trap ose ndërprerje, hardueri kalon prej mënyrës së shfrytëzuesit në mënyrën e kernelit. Shënim: Sistemi e merr nën kontroll kompjuterin duke kaluar në mënyrën e kernelit.

Kontrolli i Programit

• Sistemi kalon në mënyrën e shfrytëzuesit (me bitin 1) para se t'i japë kontrollin programit të shfrytëzuesit.
• Puna me dy mënyra (user mode dhe kernel mode) siguron mbrojtjen e sistemit operativ dhe përdoruesve. Shënim: Instruksionet e rrezikshme, të quajtura instruksione të privilegjuara, ekzekutohen vetëm në kernel mode.
  • Kernel Mode: Instruksionet e privilegjuara që mund të ekzekutohen.
  • User Mode: Instruksionet e privilegjuara që nuk lejohen të ekzekutohen.
• Nëse një program në user mode përpiqet të ekzekutojë një instruksion të privilegjuar, hardueri e ndalon atë dhe e kthen kontrollin tek sistemi operativ. Shënim: Kjo parandalon që përdoruesit të dëmtojnë sistemin apo njëri-tjetrin.
• Struktura e mënyrave siguron sigurinë dhe stabilitetin e sistemit operativ.
• Mënyra e kernelit ka kontroll të plotë, ndërsa mënyra e përdoruesit është e kufizuar.
• Koncepti i mënyrave të punës mund të përfshijë më shumë se dy mënyra.

Unazat e Mbrojtjes dhe Virtualizimi

• Procesorët Intel:

  • kanë katër unaza mbrojtëse të ndara.
  • Unaza 0 është mënyra kernel.
  • Unaza 3 është mënyra e përdoruesit.
  • Unazat 1 dhe 2 përdoren për shërbime të ndryshme të sistemit operativ, por rrallë në praktikë.

• Sistemet ARMv8:

  • kanë shtatë mënyra të ndryshme të punës.

• CPU-të me Virtualizim:

  • kanë një mënyrë të veçantë për menaxhuesin e makinës virtuale (VMM).
  • VMM ka më shumë privilegje se proceset e përdoruesit, por më pak se mënyra e kernel-it.
  • Kjo mënyrë lejon VMM të krijojë dhe menaxhojë makina virtuale.

• Ekzekutimi i Instruksioneve:

  • Sistemi operativ fillon në mënyrën e kernelit.
  • Kur kontrolli kalon te një program përdoruesi, kalon në mënyrat e përdoruesit.
  • Kur kontrolli kthehet tek sistemi operativ përmes një trapi ose ndërprerje, ose ndonjë thirrje sistemore.
  • Struktura me nivele privilegji siguron që instruksionet kritike të ekzekutohen vetëm nga komponente të besueshme.
  • Mbrojtja e sistemit dhe përdoruesve nga dëmtimet dhe keqpërdorimet.

Thirrjet Sistemore

• Thirrja sistemore është një mekanizëm që lejon programeve të përdoruesit të kërkojnë shërbime nga sistemi operativ, të cilat janë të rezervuara vetëm për sistemin operativ.
• Këto shërbime përfshijnë operacione si leximi ose shkrimi në disk, krijimi i proceseve, kontrolli i proceseve, etj.
• Thirrjet sistemore lejojnë programet e përdoruesit të kryejnë veprime që mund t'i kryej vetëm sistemi operativ.
• Kur një program shfrytëzues e ekzekuton një thirrje sistemore, ajo shkakton një trap në vektorin e ndërprerjeve, duke transferuar kontrollin te procedura në kernel.
• Kerneli i verifikon parametrat, ekzekuton kërkesën dhe pastaj e kthen kontrollin te programi i shfrytëzuesit.

Elementet Themelore të Sistemit Operativ

• Tajmeri përdoret për të parandaluar që një program të bllokohet në një unazë të pafundme. Shënim: ose të dështojë për shkak të thirrjeve të shërbimeve të sistemit dhe të mos e kthejë kontrollin tek sistemi operativ.
• Një proces është një instancë e një programi që ekzekutohet në një sistem operativ. Shënim: Është një program në ekzekutim.
• Sistemet operative janë përgjegjëse për menaxhimin e proceseve, si:
  • Krijimi dhe fshirja e proceseve të shfrytëzuesit dhe të sistemit
  • Planifikimi i ekzekutimit të proceseve dhe thredave në CPU
  • Ndalja e përkohshme dhe vazhdimi i proceseve
  • Ofrimi i mekanizmave për sinkronizim të proceseve
  • Ofrimi i mekanizmave për komunikim në mes të proceseve
• Një fajll është një grumbull informatash të lidhura të përcaktuara nga krijuesi i fajllit.

Keshimi dhe Virtualizimi

• Keshimi është një teknikë për të rritur efikasitetin e programeve duke ruajtur të dhëna të shpeshta në një memorie më të shpejtë. Shënim: Përmirëson kohën e përgjigjes së programit dhe zvogëlon ngarkesën e sistemit.
• Virtualizimi fsheh harduerin e një kompjuteri në disa ambiente të ndryshme ekzekutimi.Shënim: Krijon një iluzion që secili ambient punon në kompjuterin e vet.
• Disa shërbime të sistemit operativ që ndihmojnë shfrytëzuesit përfshijnë:
  • Interfejsi i shfrytëzuesit
  • Ekzekutimi i programit
  • Operacionet hyrje/dalje
  • Puna me sistemin e fajllave
  • Komunikimet
  • Gjetja e gabimeve
  • Ndarja e resurseve
  • Logimi
  • Mbrojtja dhe siguria
  • Ekzistojnë tre qasje themelore për shfrytëzuesit që të përdorin sistemin operativ:

Përdorimi i Sistemit Operativ

• Ekzistojnë tre qasje themelore për shfrytëzuesit që të përdorin sistemin operativ:

  • Njëra ofron interfejs përmes komandave, që lejon futjen e drejtpërdrejtë të komandave për ekzekutim.
  • Dy qasjet tjera ia mundësojnë shfrytëzuesit të përdorë sistemin operativ përmes interfejsit grafik. ose GUI.
  • Shumica e sistemeve operative e trajtojnë interpretuesin e komandave si një program të veçantë që ekzekutohet kur fillon një proces.
  • Në sistemet me shumë interpretues, interpretuesit njihen si shell.
  • API (Application Programming Interface)

API (Application Programming Interface) dhe Rrethina në Kahën e Ekzekutimit

• Zhvilluesit e aplikacioneve i dizajnojnë programet sipas një interfejsi të programimit.
• API specifikon një bashkësi funksionesh që janë në dispozicion për një programues të aplikacioneve.
• Koha e ekzekutimit (run-time environment – RTE): është e tërë bashkësia e softuerëve që nevojitet për të ekzekutuar programet.
• RTE ofron një system-call interface (pra interfejs për thirrjet sistemore.) Shënim: që shërben si lidhje për thirrjet sistemore nga sistemi operativ.
• Thirrjet sistemore ndahen në gjashtë kategori:
  • Kontroll i procesit
  • Menaxhim i fajllave
  • Menaxhim i pajisjeve
  • Mirëmbajtje e informacionit
  • Komunikime
  • Mbrojtje
• Sistemi operativ shpesh vendos përmbajtjen e memorisë së programit në disk dhe paraqet një mesazh gabimi.
• Mund të kontrollohet më pas nga një debugger.
• Sistemi operativ bart kontrollin tek interpretuesit e komandave ose tek thirrësit.
• Dy mënyra të zakonshme të komunikimit: Më këmbim të mesazheve dhe Model i memorie të përbashkët.

Këmbimi i mesazheve, Memoria e përbashkët dhe Shërbimet

• Te modeli me shkëmbim të mesazheve, proceset komunikuese shkëmbejnë mesazhe me njëri-tjetrin.
• Në modelin me memorie të përbashkët, proceset përdorin thirrjet si: shared memory create () dhe shared memory attach (). Shënim: për të krijuar dhe marrë qasje në pjesët e memories të proceseve tjera.
• Shërbimet e sistemit, të njohura si system utilities: Shënim:: ofrojnë një ambient të përshtatshëm për zhvillimin dhe ekzekutimin e programit.
• Ndër shërbimet që ofron sistemi: -Menaxhimi i fajllave
  • Informacioni i statusit -Ndryshimi i fajllave -Përkrahja për gjuhë programuese -Vendosja e programit në memorie dhe ekzekutimi -Komunikimet dhe
  • Shërbimet në prapavijë.
• Linker: i kombinon fajllat në objekt dhe të zhvendosshëm në një fajll binar dhe të ekzekutueshëm.

Linker dhe Loader

• Loader: përdoret për të vendosur në memorie një fajll binar të ekzekutueshëm.
• Linking dhe loading është zhvendosja që japinë adresat përfundimtare.
• Kodi thërret një librari me funksione dhe të qaset në variablat e tij gjatë ekzekutimit. Struktura Monolitike: organizim i thjeshtë i sistemit operativ, pa strukturë fare. I gjithë funksionaliteti i kernelit vendoset në një fajll binar që ekzekutohet në një hapësirë të vetme adresash. Qasja Monolitike: strukturë e zakonshme për dizajnimin e sistemeve operative. Shënim: Njihet si sistem i lidhur fortë sepse ndryshimet në një pjesë të sistemit mund të kenë ndikim në pjesët tjera.

Shtresat dhe Mikrokernelet

• Qasja me shtresa e ndan sistemin në disa shtresa. Shënim: Shtresa e poshtme është hardueri, kurse shtresa më e lartë është interfejsi me shfrytëzuesin.
• Mikrokernelet:Largojnë pjesët jo thelbësore prej kernelit në hapësira të ndryshme të adresave.
• Funksioni kryesor i mikrokernelit është të ofrojë komunikim në mes të programit të klientit dhe shërbimeve që janë duke u ekzekutuar në hapësirën e shfrytëzuesit. Procesi:
• Programi bëhet proces, kur një fajll i ekzekutueshëm vendoset në memorien DRAM. Gjendjet e Procesit:
  • New
  • Running
  • Waiting
  • Ready
  • Terminated

PCB (Process Control Block) dhe Multiprogramimi

• Një Blloku për kontroll të procesit (Process Control Block)PCB i paraqitet çdo procesi.
• Qëllimi i multiprogramimit është që në çdo kohë të kemi një proces i cili ekzekutohet.
• Qëllimi ndarjes së kohës për shfrytëzim është që një bërthamë e CPU-së të përdoret shpesh me radhë.
• Për të arritur këto qëllime, planifikuesi i proceseve përzgjedhë një proces.
• Numrin i proceseve që janë në memorie njihet si shkalla e multiprogramimit.
• Roli i planifikuesit të CPU-së është dhënia për shfrytëzim e një bërthame të CPU-së.
• Disa sisteme operative mund të kenë një formë swaping.shënim: Idea bazë e të cilës është se ndonjëherë mund të ketë përparësi largimi një procesi prej memories.

Ndërrimi i Kontekstit, Krijmit dhe Ekzekutimi

• Kalimi i bërthamës së CPU-së te një proces tjetër njihet si ndërrim i kontekstit.
• Proceset në sistemin operativ përdorin burime të përbashkëta me procesin prind.
• Proceset fëmijë krijohen përmes thirrjes sistemore fork().
• Pastaj, njëri nga proceset mund të përdorë thirrjen sistemore exec().
• Pasi thirret exec() procesi prind mund të pres për përfundimin e fëmijës me thirrjen wait(). Diagrami i gjendjeve të procesit evidenton kalimin e procesit nga njëra gjendje në tjetrën. Një proces përfundon ekzekutimin duke ekzekutuar shprehjen e fundit dhe duke thirrur thirrjen exit(). Shënim: Mund të kthejë një vlerë për rezultatin e ekzekutimit.

Raste kur Proceset mund të Përfundojnë

• Në disa raste, një proces shkakton përfundimin e një procesi tjetër përmes thirrjeve të përshtatura.
• Një prind mund të ndalojë ekzekutimin e një procesi fëmijë.
• Në disa sisteme operativë, përfundimi i një prindi shkakton edhe përfundimin e të gjithë fëmijët.
• Proces Zombie: proces ka përfunduar por që prindi it tij ende nuk ka thirrur wait().
• Procesi i pavarur nuk i ndan të dhënat me ndonjë proces tjetër, ndërsa proces i bashkëpunues ndikon ose ndikohet nga procese tjera që janë duke u ekzekutuar në sistem.
• Arsyet për të ofruar një ambient që lejon proceset të bashkëpunojnë:

Arsyet dhe Modelet e Komunikimi

• Ndarja e informacionit.
• Shpejtimi i llogaritjes
• Modulariteti
• Dy modele themelore: Memorie e përbashkët dhe bartja e mesazhit.
• Bartja e mesazheve siguron dërgimin dhe pranimin e të dhënave.
• Baferët janë mjete të rëndësishme në programim për të lehtësuar komunikimin dhe sinkronizimin mes proceseve.
• Llojet kryesore të baferëve: I pakufizuar dhe i kufizuar. Bartja e mesazheve:bartja e mesazheve ofron një mekanizëm.

Sinkronizimi, Përcaktimet e Bartjes, Thurjet dhe Njësia e Përdorimit

• Bartja e mesazheve ndahet në bllokuese ose jo bllokues.
• Thredi është një njësi themelore e përdorimit të CPU-së.
• Një proces tradicional ka një thred të kontrollit.
• Sistemi operativ monolitik vendos të gjitha pjesët në kernel.
• user Mode dhe Kernel Mode: dy mënyrat e sistemit operativ.
• Procesi ka minimum 1 thred.

Punët dhe detyrat e Sistemit Operativ

5 Detyrat e sistemit operativ:

• Menaxhimi i proceseve
• Menaxhimi memory -Menaxhimi i resurseve
• Menaxhimi i sistemit të file dhe
• Menaxhimi nderlidhjes se përdoruesve. Thredi ёshte pjesë e vogël e procesit që ekzekuton punën specifike Dallimet në mes thred dhe proces janë:
• Memoria Ndaja e burimeve Sinkronizimi Shkalla e rrjedhjes.

Race Condition, Veglat e Sinkronizimit, Performanca dhe Përfitimet

• Race Condition është gjendje ku disa thread ose procese përpiqen të ndryshojnë të njejtin burim të përbashkët.
• Veglat per sinkronizimi janë: Semafori Variablat e kushtit Monitori dhe Mutexlocks.
• Performanca e lartë dhe Përdorimi efikas i burimeve,

Ky material shpjegon dallimet midis proceseve dhe thread-eve, si dhe problemet e garës dhe teknikat e sinkronizimit. Diskutohen veglat e sinkronizimit, atributet e thread-eve, dhe balancimi i ngarkesës. Fokusi është te kuptimi i koncepteve kyçe dhe mekanizmave në sistemet operative.