Processi e Thread in UNIX

Un insieme di informazioni associate a un processo in esecuzione, tra cui identificatore, stato, priorità, contesto hardware, puntatori alla memoria, informazioni I/O e informazioni di accounting.

Una struttura di dati che contiene gli elementi di un processo. Viene creata e gestita dal sistema operativo per permettere la gestione simultanea di più processi.

La sequenza di istruzioni eseguite da un processo. Rappresenta il comportamento del processo, come le istruzioni seguite in ordine.

Un piccolo programma che fa parte del sistema operativo e che gestisce l'esecuzione dei processi, sospendendo un processo per farne partire un altro.

Un modello semplificato che rappresenta uno stato di un processo, in

Un diagramma che rappresenta il flusso dei processi tra la CPU e la coda dei processi, gestito dal dispatcher del sistema operativo. I processi vengono spostati tra la CPU e la coda fino a che un processo non viene completato.

Un processo che crea un nuovo processo. Il processo originale è il processo padre e il nuovo processo è il processo figlio.

Il processo di terminazione di un processo. Può avvenire per completamento normale o per cause anomale

Il processo di terminazione di un processo in modo ordinato, spesso tramite una system call.

Il processo di terminazione di un processo in modo anomalo, dovuto a errori o situazioni impreviste.

Un processo viene terminato a causa di un errore del sistema operativo, come ad esempio una mancanza di memoria, un errore di protezione, un'istruzione errata o un problema di input/output.

Un processo viene terminato dall'utente, ad esempio chiudendo la finestra con la croce rossa.

Un processo viene terminato da un altro processo tramite l'invio di un segnale, ad esempio da un terminale.

Un processo viene spostato su disco per liberare memoria quando il processore è più veloce dell'input/output.

Il processo viene spostato su disco quando è bloccato in attesa di I/O, creando uno nuovo stato: blocked/suspend.

La tabella delle regioni del processo definisce il mapping tra indirizzi virtuali e indirizzi fisici (tabella di pagine). Indica anche i permessi di accesso per ogni indirizzo (lettura, scrittura, esecuzione).

L'area U contiene informazioni aggiuntive per il controllo del processo, come i registri del processo, l'ID del processo e lo stato del processo.

Lo stack del Kernel è uno stack dedicato alle chiamate al sistema operativo. È separato dallo stack utente e viene usato per le funzioni che vengono eseguite in modalità sistema.

La chiamata di sistema fork() crea un nuovo processo figlio con un PID univoco, copiando l'immagine del processo padre.

Il processo figlio, dopo essere stato creato, viene messo nello stato Ready to Run, pronto per essere eseguito dal sistema operativo.

Lo stato in cui un processo è in esecuzione in modalità utente.

Lo stato in cui un processo è in esecuzione in modalità kernel o sistema.

Lo stato in cui un processo è pronto per l'esecuzione, ma non è ancora in esecuzione. È presente in memoria.

Lo stato in cui un processo è in memoria, ma non è eseguibile finché un evento non lo attiva.

Lo stato in cui un processo è pronto per essere eseguito, ma non è in memoria. Deve prima essere portato in memoria per essere eseguito.

Lo stato in cui un processo è in attesa di un evento per essere eseguito e non è in memoria.

Lo stato in cui il kernel ha appena interrotto l'esecuzione del processo per dare spazio a un altro.

Lo stato in cui un processo è stato appena creato, ma non è ancora pronto per essere eseguito.

Lo stato di un processo che è terminato, ma rimane nelle tabelle dei processi finché il processo che l'ha creato non lo elimina.

Un insieme di strutture dati che il sistema operativo usa per gestire i processi.

Un'esecuzione in parallelo di una stessa applicazione, che suddivide il processo in diversi flussi di esecuzione indipendenti. Ogni thread condivide tutte le risorse del processo principale, ad eccezione dello stack di chiamate.

I thread di uno stesso processo condividono la memoria, i file e i dispositivi di I/O, ma ogni thread ha il suo proprio stack di chiamate, che contiene le variabili locali delle funzioni. Questo garantisce che i thread siano indipendenti in termini di esecuzione.

Un processo che si divide in diverse esecuzioni indipendenti che lavorano in parallelo per svolgere compiti specifici.

Un processo multitasking, come un'applicazione grafica, che ha bisogno di diversi thread per svolgere attività come l'interazione con l'utente (gestire i click del mouse), il ridisegno della finestra e l'esecuzione di calcoli. Ogni thread si occupa di un compito specifico.

L'utilizzo dei thread permette a un programma di migliorare le prestazioni dividendo il lavoro in parti più piccole che possono essere eseguite in parallelo. Questo consente un'elaborazione più veloce e un'esperienza utente più fluida.

I thread sono più efficienti e facili da gestire rispetto ai processi. Sono più leggeri, richiedono meno risorse per crearli e distruggerli e permettono un passaggio di controllo più veloce tra di loro.

I thread di uno stesso processo condividono lo stesso spazio di memoria. Se un thread acquisisce un dispositivo I/O, come un file, l'intero processo avrà accesso a quel file.

Le User Level Thread (ULT) sono thread gestiti a livello utente. Sono più veloci da gestire, ma se un thread si blocca, tutti i thread del processo si bloccano.

Le Kernel Level Thread (KLT) sono thread gestiti a livello del kernel. Sono più lente da gestire, ma se un thread si blocca, solo quel thread si blocca.

Linux utilizza i Lightweight Process (LWP) come unità base per i thread. Il sistema può implementare sia ULT che KLT, con i KLT utilizzati principalmente dal sistema operativo e gli ULT utilizzati dai programmi utente.

Un processo ha sempre un thread principale con il PID (Process ID) e altri thread che hanno ognuno un TID (Task ID) univoco. Il TID non è semplicemente un numero progressivo, ma è legato al PID.

Il processo di assegnazione di risorse del processore ai processi in esecuzione, gestendo il tempo dedicato ad ogni processo.

L'obiettivo è assegnare tempo di esecuzione ai processi in modo da ottimizzare le prestazioni del sistema e garantire un'equa distribuzione delle risorse.

Si riferisce ai diversi tipi di scheduling, che si differenziano per il tipo di processo che gestiscono e il livello di dettaglio della pianificazione.

Un processo che verifica quali programmi sono ammessi nel sistema per essere eseguiti. In genere si basa sul principio FIFO (First In First Out).

Il processo che gestisce lo spostamento dei processi tra la memoria secondaria e la memoria principale. È legato alla gestione della memoria virtuale.

Il processo che decide quale dei processi pronti viene eseguito dal processore. Viene eseguito frequentemente e in seguito a eventi come interruzioni o segnali.

Criteri che riguardano la soddisfazione dell'utente, come il tempo di attesa per ricevere una risposta o la velocità di risposta del sistema.

Criteri che si focalizzano sulla performance del sistema in generale, come il throughput, l'utilizzo del processore e la gestione delle priorità.

Il tempo totale che un processo impiega dalla sua creazione fino al suo completamento. Include il tempo di attesa e i tempi di esecuzione.

Il tempo che passa tra la richiesta di una computazione e la visualizzazione dell'output. È importante per i processi interattivi.

Il volume di lavoro completato nel tempo. Indica l'efficienza del sistema nel gestire le richieste.

La percentuale di tempo in cui il processore è effettivamente in esecuzione. Indica l'utilizzo effettivo del processore.

La capacità di gestire le richieste di diversi processi in modo equo, senza favorire alcuni processi rispetto ad altri.

La capacità di gestire processi con priorità diverse, garantendo un'adeguata attenzione ai processi con priorità più alta.

La percentuale di tempo in cui un processore è effettivamente in uso. Indica l'efficienza dell'utilizzo del processore.

Ottimizzare l'utilizzo delle risorse del sistema, assicurando che i processi che richiedono meno risorse vengano favoriti.

La capacità dello scheduler di dare priorità ai processi in base alla loro importanza, creando diverse code per differenti livelli di priorità.

Un processo a bassa priorità potrebbe essere bloccato indefinitamente a causa di un processo a priorità più alta. La soluzione consiste nell'aumentare la priorità del processo in base alla sua età.

Un processo che sceglie il processo successivo da eseguire.

Definisce quando la funzione di selezione viene invocata.

Il sistema operativo può interrompere l'esecuzione di un processo anche se non è in attesa di un I/O o terminato.

Un processo, una volta iniziato, continua a eseguire fino alla sua terminazione o fino a una richiesta di I/O.

Una politica di scheduling che concede al processo che è arrivato per primo la possibilità di essere eseguito.

Una politica di scheduling che suddivide equamente il tempo del processore tra tutti i processi.

Il tempo che ogni processo può eseguire prima di essere interrotto per lasciare spazio agli altri processi. Dovrebbe essere leggermente superiore al tempo di interazione tipico.

Un tipo di processo che utilizza la maggior parte del suo tempo di esecuzione per elaborazioni complesse.

Un tipo di processo che passa la maggior parte del tempo in attesa di operazioni di input/output.

Una variante del Round-robin che assegna una priorità ai processi I/O-bound, permettento loro di entrare in esecuzione più rapidamente dopo aver completato un'operazione di input/output.

Un sistema di pianificazione dove il processo con il tempo di esecuzione più breve viene eseguito per primo.

Un processo che è bloccato in attesa di un evento o di una risorsa, come un file o un dispositivo.

Un evento che interrompe un processo in esecuzione, come un interrupt o un'eccezione.

È una forma di scheduling in cui i processi vengono selezionati per l'esecuzione in base a una priorità che può cambiare dinamicamente durante il loro ciclo di vita.

È un evento pianificato che interrompe l'esecuzione di un processo per dare la possibilità ad altri processi di essere eseguiti. Il kernel usa questo meccanismo per garantire un'equa allocazione delle risorse del processore tra diversi programmi.

Quando un processo viene messo in attesa, ad esempio perché sta aspettando un evento di input/output, viene messo in una speciale coda.

È una coda di processi che sono pronti per essere eseguiti, ma non hanno ancora ricevuto la CPU. Il dispatcher seleziona un processo da questa coda per assegnargli il processore.

È un metodo di scheduling in cui ogni processore ha la sua runqueue indipendente. I processi possono essere trasferiti tra le diverse runqueue a seconda delle esigenze.

Sono processi che interagiscono con l'utente. Questi processi hanno alta priorità e devono ricevere una risposta veloce per un'esperienza utente fluida.

Sono processi che non interagiscono con l'utente. Hanno bassa priorità e non necessitano di una risposta immediata.

È un processo che decide quale processo deve eseguire il processore in un dato momento.

Le classi di scheduling SCHED_FIFO e SCHED_RR sono associate ai processi real-time. La classe SCHED_OTHER include tutti gli altri processi. Le versioni più recenti del kernel di Linux possono includere altre classi, ma noi ci concentriamo su queste tre.

I processi con priorità più alta vengono eseguiti prima di quelli con priorità inferiore. Per esempio, i processi con priorità da 1 a 99 (SCHED_FIFO e SCHED_RR) sono eseguiti prima dei processi con priorità da 100 a 139 (SCHED_OTHER).

I processi real-time sono quelli che richiedono un'esecuzione immediata e con una tempistica precisa. Il loro codice sorgente utilizza la chiamata di sistema sched_setscheduler per garantire la loro temporizzazione critica.

Un processo può essere CPU-bound o I/O-bound. Un processo CPU-bound richiede un'elevata potenza di calcolo, mentre un processo I/O-bound implica principalmente operazioni di input/output.

Nella formula di stima del tempo di esecuzione, il valore passato (Ti) viene utilizzato per prevedere il valore futuro (Si). La formula include la somma ponderata dei valori passati per calcolare il valore futuro.

La formula Sn+1 = αTn + (1 − α)Sn, con 0 < α < 1, è una media esponenziale che assegna pesi maggiori ai tempi di esecuzione più recenti. Questo permette di avere una stima più accurata del tempo di esecuzione futuro.

Nell'Exponential Averaging, i pesi αTn e (1 − α)Sn, con 0 < α < 1, vengono assegnati ai tempi di esecuzione corrente Tn e al tempo di esecuzione stimato dell'intervallo precedente Sn, per calcolare la nuova stima Sn+1

L'algoritmo SRT (Shortest Remaining Time) è una variante dell'algoritmo SPN (Shortest Process Next), ma è preemptive. Questo significa che un processo può essere interrotto durante la sua esecuzione per dare la precedenza a un nuovo processo con tempo di esecuzione rimanente minore.

L'algoritmo HRRN (Highest Response Ratio Next) si basa sul rapporto tra il tempo trascorso in attesa e il tempo totale richiesto per un processo. L'algoritmo sceglie il processo con il rapporto più alto, dando priorità a quei processi che hanno atteso più a lungo in relazione al loro tempo di esecuzione totale.

Nel sistema operativo UNIX, lo scheduling tradizionale combina priorità e round robin. I processi hanno diversi livelli di priorità e vengono gestiti con il round robin all'interno di ciascuna coda di priorità. Le priorità vengono ricalcolate ogni secondo, dando feedback automatico ai processi in base al tempo di esecuzione.

La formula di scheduling in Unix calcola la priorità di un processo in base al suo utilizzo della CPU, al suo valore di base e al suo valore 'nice'. Il valore 'nice' può essere modificato manualmente per assegnare al processo una priorità più bassa.

L'esempio illustra la priorità di tre processi A, B e C con valori base e 'nice' uguali. La priorità dei processi cambia in base al loro utilizzo della CPU, con CPUj (i) incrementato ogni 60 secondi.

In un cluster multiprocessore, ogni processore ha la sua RAM e la comunicazione tra i processori avviene tramite una rete veloce. I processori specializzati sono dedicati a compiti specifici come l'I/O. I multi-processori/multi-core condividono la RAM e sono gestiti da un solo SO.

L'assegnamento statico di un processore a un processo avviene al momento della creazione e resta fisso per tutta la sua durata. Questo approccio è semplice e poco costoso, ma può lasciare alcuni processori inutilizzati.

L'assegnamento dinamico permette a un processo di cambiare processore durante la sua esecuzione. Questo approccio è più complesso ma consente un migliore utilizzo delle risorse. Il SO può essere eseguito su un processore fisso per semplicità o su un processore variabile per maggiore flessibilità.

Il sistema operativo Linux si basa su schedulazione con priorità ed è progettato per la velocità di esecuzione tramite la semplicità di implementazione. Non utilizza scheduler a lungo termine o a medio termine.

Process Control Block (PCB): una struttura dati che contiene tutte le informazioni relative a un processo.

Il contesto di un processo è l'insieme delle informazioni che definiscono lo stato di un processo nel momento in cui viene interrotto. Includono i registri della CPU, l'indirizzo del programma, l'indirizzo del dati, lo stack di chiamate.