Procesi u operativnim sistemima

Procesi u Operativnim Sistemima

• Proces je program koji je u toku izvršavanja.
• Izvorni kod programa je niz instrukcija koje treba izvršiti.
• Izvršni program nastaje prevođenjem izvornog koda na mašinski jezik.
• Pokretanje izvršnog programa podrazumijeva učitavanje programa u primarnu memoriju računara i njegovo izvršavanje na procesoru.
• Za izvršavanje procesa potrebni su procesor, memorija, ulazno-izlazni uređaji i datoteke.
• Zadatak operativnog sistema u odnosu na procese je da osigura njihovo efikasno izvršavanje.
• Postoje korisnički i sistemski procesi.
• Procesi se mogu efikasno izvršavati konkurentno i/ili paralelno.
• Na sistemima sa jednim procesorskim jezgrom, procesi se izvršavaju konkurentno, stvarajući privid paralelnog izvršavanja (pseudoparalelno).
• Multiprogramiranje omogućava operativnim sistemima efikasno izvršavanje procesa.
• Multiprogramiranje podrazumijeva učestalo smjenjivanje procesa koji koriste procesor.
• Utisak istovremenog izvršavanja procesa na jednom jezgru stvara se brzim i čestim prebacivanjem između procesa.
• Procesori sa više jezgara omogućavaju paralelno izvršavanje više procesa.
• Paralelno izvršavanje procesa na više jezgara pruža veće mogućnosti u odnosu na sisteme sa jednim jezgrom.
• Registri tokom izvršavanja procesa sadrže vrijednosti koje se nalaze u registrima procesora.
• Programski brojač sadrži informaciju o sljedećoj instrukciji koju proces treba da izvrši.
• Za svaki proces su bitne informacije o otvorenim fajlovima, dozvolama i vlasniku procesa.

Stanja Procesa

• Osnovna stanja procesa su: Novi, Spreman, Izvršavanje, Čekanje i Završen.
• Kada proces pređe iz stanja Spreman u Izvršavanje, operativni sistem bira proces iz liste spremnih procesa i dodjeljuje mu procesor.
• Kada proces pređe iz stanja Izvršavanje u Čekanje, proces čeka na resurs koji trenutno nije slobodan.
• Kada proces pređe iz stanja Izvršavanje u Spreman, istekne mu vrijeme na procesoru ili operativni sistem odluči da ga prekine kako bi drugi proces dobio procesor.
• Kada proces pređe iz stanja Čekanje u Spreman, potrebni resursi su postali dostupni, ali proces ne zna da li je procesor slobodan pa se stavlja na listu spremnih procesa.
• Suspendovana stanja u operativnim sistemima su Suspendovan i spreman, Suspendovan i čekanje.
• Kada proces pređe u stanje Suspendovan i spreman, privremeno se suspenduje i više ne konkuriše za resurse.
• Kada proces pređe u stanje Suspendovan i čekanje, suspenduje se jer čekaju resursi koji su trenutno nedostupni.
• Proces prelazi iz stanja Suspendovan i čekanje u stanje Suspendovan i spreman kada se oslobode resursi koje je čekao.
• Kada se prekine suspenzija procesa, proces prelazi iz stanja Suspendovan i čekanje u Čekanje, ili iz Suspendovan i spreman u Spreman.

Kontrolni Blok Procesa (PCB)

• Kontrolni blok procesa (PCB) je dinamička struktura podataka koja sadrži informacije o svakom pokrenutom procesu.
• Kontrolni blok procesa sadrži PID, stanje procesa, programski brojač, sadržaj registara, prioritet procesa, adresu memorije i adrese zauzetih resursa.
• PID je jedinstveni identifikator procesa.
• Programski brojač u PCB-u sadrži informaciju o sljedećoj instrukciji koju proces treba da izvrši.
• Registri u PCB-u sadrže vrijednosti koje se nalaze u registrarskim memorijama procesora.
• Prioritet procesa u PCB-u pokazuje informaciju o važnosti procesa u odnosu na druge procese u sistemu.
• Zadatak operativnog sistema u vezi sa kontrolnim blokovima procesa je kreiranje, uništavanje, menjanje stanja, mijenjanje prioriteta i izbor procesa za izvršavanje.
• Prebacivanje konteksta je postupak prekida trenutnog procesa, pamćenja njegovih parametara i pokretanja drugog procesa.
• Za prebacivanje konteksta je odgovoran dispečer (Dispatcher).
• Dispečer puni registre procesa, prebacuje proces u korisnički režim i omogućava nastavak izvršavanja programa.

Niti

• Tradicionalni pristup podrazumijeva da procesi imaju svoj memorijski prostor, resurse i samo jednu jedinicu izvršavanja, tj. svi poslovi se izvršavaju sekvencijalno.
• Niti su osnovne jedinice za izvršavanje u okviru procesa i koriste resurse koji su dodijeljeni tom procesu.
• Kod segment, segment podataka i hip segment su zajednički za sve niti jednog procesa.
• Svaka nit ima svoje registre, programski brojač i stek (Stack segment).
• Niti donose uštede memorijskog prostora i vremena, omogućavaju brže kreiranje i prebacivanje konteksta, kao i paralelno izvršavanje u višeprocesorskim sistemima.
• Niti omogućavaju aplikacijama da nastave rad čak i tokom dugotrajnih radnji, koje bi inače zaustavile ostale dijelove procesa.
• Na početku izvršavanja, svaki proces dobija svoju kontrolnu (inicijalnu) nit koja obavlja potrebne inicijalizacije i kreira ostale niti.
• Niti se nazivaju "lakim procesima" jer imaju sve karakteristike procesa, ali dijele resurse i zauzimaju manje prostora.
• Veb preglednici koriste najmanje tri niti: za prikazivanje hiperteksta, učitavanje podataka sa servera i preuzimanje podataka preko mreže.
• Korisničke niti se upravljaju sa korisničkog nivoa, dok niti jezgra imaju pristup procesoru i samo one mogu da se izvršavaju.
• Tri tipa preslikavanja niti su: preslikavanje više u jednu, preslikavanje jedna u jednu i preslikavanje više u više.
• Preslikavanje više u jednu podrazumijeva da se više korisničkih niti preslikava u jednu nit jezgra, nitima se upravlja iz korisničkog režima bez uticaja jezgra.
• Nedostatak preslikavanja više u jednu je da ako se jedna korisnička nit blokira, blokira se i odgovarajuća nit jezgra, kao i cijeli proces. Ne mogu se iskoristiti prednosti višeprocesorske arhitekture.
• Preslikavanje jedna u jednu znači da se svaka korisnička nit preslikava u nit jezgra, čime jezgro preuzima potpuni nadzor nad upravljanjem nitima.
• Ovaj pristup omogućava konkurentnije izvršavanje niti, nastavak aktivnosti ostalih niti i paralelno izvršavanje više niti u višeprocesorskim sistemima.
• Preslikavanje više u više je hibridni pristup gdje se korisničke niti preslikavaju u manji ili isti broj niti jezgra, a upravljanje je prepušteno jezgru.

Planeri

• Cilj planera u operativnim sistemima je da maksimalno poveća efikasnost izvršavanja procesa, osigura stalnu zauzetost procesora i optimalnu izmjenu procesa.
• Multiprogramiranje predstavlja suštinu kada procesi naizmjenično koriste procesor i čekaju na ulazno-izlazne operacije, stvarajući utisak paralelnog izvršavanja.
• U operativnim sistemima obično postoje red poslova, red spremnih procesa i redovi čekanja na uređaje.
• Dugoročni planer bira procese koji će se aktivno uključiti u sistem i početi sa izvršavanjem, tj. pravi odabir procesa za red spremnih procesa.
• Kratkoročni planer donosi odluku o tome koji proces će se izvršavati i koliko dugo će koristiti procesor.
• Prebacivanje (swapping) je proces u kojem se neki procesi uklanjaju iz memorije kako bi se poboljšala efikasnost sistema, a kasnije mogu biti ponovo vraćeni u memoriju kada se steknu uslovi.
• Srednjoročni planer upravlja prebacivanjem procesa između memorije i diska kako bi se poboljšala efikasnost sistema.

Višeprocesorski Sistemi i Efikasnost

• Višeprocesorski sistemi omogućavaju paralelno izvršavanje procesa na različitim procesorima, što povećava efikasnost u odnosu na jednoprocesorske sisteme.
• Operativni sistemi na višeprocesorskim sistemima zahtijevaju pažljivo planiranje kako bi se obezbijedila sinhronizacija niti istog procesa i pravilno upravljanje resursima.
• Balansiranje opterećenja je postupak ravnomjernog raspoređivanja poslova između procesora kako bi se spriječilo da neki procesor bude preopterećen, dok drugi ne radi.
• Dvije vrste migracije opterećenja su: prenošenje migracije (Push Migration) i preuzimanje migracije (Pull Migration).
• Afinitet procesora označava koji procesor je dodijeljen određenom procesu, uz mogućnost nastavka izvršavanja na istom ili drugom procesoru ako je pogodniji.
• Cilj afiniteta procesora je da se procesu dodijeli precizno određeni procesor ili podskup procesora na kojem će se izvršavati.
• Afiniteti su u direktnoj suprotnosti sa balansiranjem, jer se pri dodjeljivanju afiniteta procesoru može smanjiti fleksibilnost u raspoređivanju opterećenja između procesora.