1 Gestion de Processus Chapitre 4

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1 1 Gestion de Processus Chapitre 4 http://w3.uqo.ca/luigi/

2 Ch.42 Concepts importants du Chapitre 4 n Processus u Création, terminaison, hiérarchie n États et transitions d’état des processus n Process Control Block n Commutation de processus u Sauvegarde, rechargement de PCB n Files d’attente de processus et PCB n Ordonnanceurs à court, moyen, long terme n Processus communicants u Producteurs et consommateurs

3 Ch.43 Processus et terminologie (aussi appelé job, task, user program) n Concept de processus: un programme en exécution u Possède des ressources de mémoire, périphériques, etc n Ordonnancement de processus n Opérations sur les processus n Processus coopérants n Processus communicants

4 Ch.44 Création de processus Les processus peuvent créer d’autres processus, formant une hiérarchie (instruction fork ou semblables) u V, Sessions Travaux Dirigés

5 Ch.45 Création et synchronisation de processus En UNIX, le fork créé un processus identique au père, excepté son pid exec peut être utilisé pour exécuter un nouveau programme

6 Ch.46 Arbre de processus en UNIX (pères et descendants)

7 États et transitions d’états d’un processus Ch.47

8 Problème: Comment gérer l’exécution de plusieurs processus sur beaucoup moins d’UCT Un processus sera ● parfois en exécution sur une UCT, ● parfois en attente d’une E/S, ● parfois en attente d’une UCT Ch.48

9 9 État de processus IMPORTANT n Au fur et a mesure qu’un processus exécute, il change d’état u nouveau: le processus vient d’être créé u exécutant-running: le processus est en train d ’être exécuté par une UCT u attente-waiting: le processus est en train d ’attendre un événement (p.ex. la fin d’une opération d’E/S) u prêt-ready: le processus est en attente d’être exécuté par une UCT u terminated: fin d’exécution

10 Ch.410 Ordonnanceur UCT n Une UCT dans un ordi est une ressource qui peut être affectée tantôt à un processus, tantôt à un autre n Quand une UCT se libère, un programme est invoqué qui décide quel processus lui sera affecté n Ce programme est parfois appelé gestionnaire de tâches, task manager, etc. n Nous l’appellerons ordonnanceur UCT

11 Ch.411 Diagramme de transition d`états d`un processus Ordonnanceur = angl. scheduler

12 Ch.412 États Nouveau, Terminé: n Nouveau u Le SE a créé le processus F a construit un identificateur pour le processus F a construit les tableaux pour gérer le processus u mais ne s’est pas encore engagé à exécuter le processus (pas encore admis) F pas encore alloué des ressources u La file des nouveaux travaux est souvent appelée spoule travaux (job spooler) n Terminé: u Le processus n’est plus exécutable, mais le SE est encore en train de nettoyer ses données F ‘zombie’ en Unix-Linux

13 Ch.413 Transitions de processus n Prêt  Exécution u Lorsque l’ordonnanceur UCT choisit le processus pour exécution sur l’UCT F Chapitre 6

14 Ch.414 Transitions de processus n Exécution  Attente u Le processus demande un service du SE, tel que F une E/S F une instruction d’attente pour un temps F une demande de ressources F une demande de communication avec un autre processus n Attente  Prêt u l’événement attendu s’est produit F fin d’E/S F le temps d’attente est passé F la ressource demandée a été octroyée F la communication avec l’autre proc est complétée

15 Ch.415 Transitions de processus n Exécution  Prêt u Préemption: Résultat d’une interruption causée par un événement indépendant du processus F le processus exécutant perd l’UCT car il faut traiter une interruption quelconque, p.ex.: Terminaison d’E/S (probabl. pour un autre processus) Le processus à épuisé son temps d’UCT (minuterie- temporisation) Un autre processus prêt devient urgent et doit être exécuté Une action quelconque d’un usager ou d’une périphérique

16 Différence importante n Les transitions exécution  attente sont causées par une requête du processus lui-même u Le processus perd l’UCT et doit attendre pour sa propre décision n Les transitions exécution  prêt sont causées par des interruptions indépendantes du processus u Le processus perd l’UCT pour décision d’autres Ch.416

17 Exercice n Dans un système dans lequel plusieurs processus sont actifs, le fait qu’un processus exécute une transition peut causer une autre transition dans un autre processus! n Exercice: déterminer quelles transitions d’un processus peuvent causer une autre transition dans un autre processus Ch.417

18 Point de réflexion n Le diagramme de transition d’états suivant serait approprié dans certaines situations – Lesquelles? Ch.418 NouveauExécutionAttente Terminé

19 Commutation de processus et Process Control Block Ch.419

20 Ch.420 Sauvegarde d’informations de processus n Un processus exécute sur une UCT de façon intermittente n Chaque fois qu’un processus reprend l’UCT (transition prêt  exécution) il doit la reprendre dans la même situation où il l’a laissée (même contenu de registres UCT, etc.) n Donc au moment où un processus sort de l’état exécution il est nécessaire de sauvegarder ses informations essentielles, qu’il faudra récupérer quand il retourne à cet état

21 Ch.421 PCB = Process Control Block: Représente la situation actuelle d’un processus, pour le reprendre plus tard Registres UCT

22 Ch.422 Process Control Block (PCB) IMPORTANT u pointeur: les PCBs sont rangés dans des listes enchaînées (à voir) u état de processus: prêt, exec, attente… u compteur programme: le processus doit reprendre à l’instruction suivante u autres registres UCT F registres d’adresses etc. u bornes de mémoire u fichiers qu’il a ouvert u etc., v. manuel

23 Ch.423 Commutation de processeur Aussi appélé commutation de contexte ou context switching n Quand une UCT passe de l’exécution d’un processus 0 à l’exécution d`un proc 1, il faut u mettre à jour et sauvegarder le PCB de 0 u reprendre le PCB de 1, qui avait été sauvegardé avant u remettre les registres d’UCT tels que le compteur d’instructions etc. dans la même situation qui est décrite dans le PCB de 1

24 Ch.424 Commutation de processeur (context switching) inactif? On reviendra enfin à P 0

25 Ch.425 Rôle du matériel et du logiciel dans le traitement d’interruptions MATÉRIEL LOGICIEL Signal d’interruption généré UCT termine l’instruction courante et détecte interruption Registres d’UCT sont sauvegardés dans la pile des interr. UCT saute à l’adresse trouvée dans le vecteur d’interruption Infos sauvegardées dans PCB Le code de traitement de l’interruption est exécuté L’ordonnanceur choisit un processus P 1 qui est prêt Les registres d’UCT sont rechargés avec ces infos Les infos relatives à P 1 sont rétablies à partir de son PCB dispatcher L’UCT reprend l’exec de P 1

26 Ch.426 Le PCB n ’est pas la seule information à sauvegarder... (le manuel n’est pas clair ici) n Il faut aussi sauvegarder l’état des données du programme n Ceci se fait normalement en gardant l’image du programme en mémoire primaire ou secondaire (RAM ou disque) n Le PCB pointera à cette image

27 Ch.427 La pile d’un processus (v. Stallings App. 1B) aussi à sauvegarder n Quand un processus fait appel à une procédure, à une méthode, etc., il est nécessaire de mettre dans une pile l’adresse à laquelle le processus doit retourner après avoir terminé cette procédure, méthode, etc. n Aussi on met dans cette pile les variables locales de la procédure qu’on quitte, les paramètres, etc., pour les retrouver au retour n Chaque élément de cette pile est appelé stack frame ou cadre de pile n Donc il y a normalement une pile d’adresses de retour après interruption et une pile d’adresses de retour après appel de procédure u Ces deux piles fonctionnent de façon semblable, mais sont indépendantes n Les informations relatives à ces piles (base, pointeur…) doivent aussi être sauvegardées au moment de la commutation de contexte

28 Ch.428 La Pile d’un processus A B Appel AAppel B PILE Données P Données B Données A P

29 Ch.429 Pointeurs de pile processus à sauvegarder: base et borne cadre 1 cadre 2 cadre 3 cadre 4 pointeur de base pointeur de borne La pile fait normal. partie de l’image du programme, mais les pointeurs sont souvent des registres d’UCT donc il sont sauvegardés dans le PCB

30 Ch.430 Configuration typique de mémoire pour un processus programme Données fixes Tas pour structures dynamiques (listes) Pile de contrôle Mémoire libre

31 Le rôle du système d’exécution n Cependant ces mécanismes ne sont pas une préoccupation du SE n Ils sont gérés par le système d’exécution du langage utilisé n Le SE sauvegarde toutes les informations comme partie de l’espace de mémoire et des registres du processus Ch.431

32 Files d’attentes de processus Ch.432

33 Ch.433 Files d’attente IMPORTANT n Les ressources d’ordi sont souvent limitées par rapport aux processus qui en demandent n Chaque ressource a sa propre file de processus en attente n Quand il y a interruption sur une ressource (pex fin d’E/S) les files permettent aussi de déterminer quel processus doit être notifié n En changeant d’état, les processus se déplacent d ’une file à l`autre u File prêt: les processus en état prêt=ready u Files associés à chaque unité E/S u etc.

34 Ch.434 Ce sont les PCBs qui sont dans les files d’attente (dont le besoin d’un pointeur dans le PCB) file prêt Nous ferons l’hypothèse que le premier processus dans une file est celui qui utilise la ressource: ici, proc7 exécute, proc3 utilise disque 0, etc.

35 Ch.435 Une façon plus synthétique de décrire la même situation (pour les devoirs et les examens) prêt  7  2 bandmag0  bandmag1  disq0  3  14  6 term0  5

36 Ch.436 Les PCBs ne sont pas déplacés en mémoire pour être mis dans les différentes files: ce sont les pointeurs qui changent. ready disk unit 0... PCB4... PCB2 PCB3 PCB5 PCB6 PCB7 PCB14 term. unit 0

37 Trois structures de données essentielles pour la gestion des processus Les structures de données suivantes sont reliées mais distinctes dans leur utilisation et contenu n Pile propre à chaque processus pour gérer les appels- retours aux procédures, méthodes, fonctions etc. n Pile du SE pour gérer les interruptions et retours des interruptions n Liste des PCBs actifs dans le système à un moment donné, est partitionnée en plusieurs listes d’attente, une pour chaque ressource qui peut être affectée à un proc Pour chacune de ces piles ou listes on doit sauvegarder des informations pour pouvoir retourner n à la bonne place n du bon processus n avec le bonnes données après avoir fait d’autres traitements Ch.437

38 Ces listes sont différentes! n Pile propre à chaque processus pour gérer les appels-retours aux procédures, méthodes, fonctions etc. u Cette pile doit exister dans tout système qui admet ces appels, même si le système n’admet ni les interruptions, ni la multiprogrammation u Elle est gérée par le système d’exécution du programme compilé n Pile du SE pour gérer les interruptions et retours des interruptions u Cette pile doit exister dans tout système qui admet des interruptions, même s’il n’admet pas de multiprogrammation u Elle est gérée directement par le matériel n Liste des PCBs actifs dans le système u Nécessaire pour la multiprogrammation u Elle est gérée par le SE Ch.438

39 Ordonnanceurs (schedulers) Ch.439

40 Ch.440 Ordonnanceurs (schedulers) n Programmes qui gèrent l’utilisation de ressources de l`ordinateur n Trois types d`ordonnanceurs : u À court terme = ordonnanceur processus: sélectionne quel processus doit exécuter la transition prêt  exécution u À long terme = ordonnanceur travaux: sélectionne quels processus peuvent exécuter la transition nouveau  prêt (événement admitted) (de spoule travaux à file prêt) u À moyen terme: nous verrons

41 Dispatcheur n Programme qui, faisant suite à la décision de l’ordonnanceur, effectue la commutation de contexte u Parfois considéré partie de l’ordonnanceur Ch.441

42 Ch.442 Ordonnanceur travaux = long terme et ordonnanceur processus = court terme Ordonnanceur travaux Ordonnanceur processus

43 Ch.443 Ordonnanceurs n L`ordonnanceur à court terme est exécuté très souvent (millisecondes) u doit être très efficace n L`ordonnanceur à long terme doit être exécuté beaucoup plus rarement: il contrôle le niveau de multiprogrammation u Un des ses critères pourrait être la bonne utilisation des ressources de l’ordinateur u P.ex. établir une balance entre travaux liés à l’UCT et ceux liés à l ’E/S

44 Ch.444 Court terme Long terme

45 Ch.445 Ordonnanceur à moyen terme n Le manque de ressources peut parfois forcer le SE à suspendre des processus u ils seront plus en concurrence avec les autres pour des ressources u ils seront repris plus tard quand les ressources deviendront disponibles n Ces processus sont enlevés de mémoire centrale et mis en mémoire secondaire, pour être repris plus tard u `swap out`, `swap in`, va-et-vien

46 Ch.446 Ordonnanceurs à long, court et moyen terme court moyen long

47 Exemple: Unix SVR 4 Ch.447

48 Ch.448 États de processus dans UNIX SVR4 (Stallings) Un exemple de diagramme de transitions d’états pour un SE réel Kernel, user mode = monitor, user mode

49 Ch.449 UNIX SVR4 États CreatedNouveau ZombieTerminé User runningExécute en mode usager Kernel runningExécute en mode superviseur Ready in memory Prêt en mém centrale Asleep in memory En attente en mém centrale Ready swappedPrêt en mém secondaire Asleep swapped En attente, mém secondaire PreemptedPar un proc + prioritaire

50 Processus coopérants et le tampon borné Ch.450

51 Ch.451 Processus coopérants n Les processus coopérants peuvent affecter mutuellement leur exécution n Avantages de la coopération entre processus: u partage de l’information u efficacité en faisant des tâches en parallèle u modularité u la nature du problème pourrait le demander F P.ex. gestion d’événements indépendants Un proc traite le clavier, un autre traite le modem

52 Ch.452 Le pb du producteur - consommateur n Un problème classique dans l’étude des processus communicants u un processus producteur produit des données (p.ex.des enregistrements d ’un fichier) pour un processus consommateur u un pgm d’impression produit des caractères -- consommés par une imprimante u un assembleur produit des modules objet qui seront consommés par le chargeur n Nécessité d’un tampon pour stocker les items produits (attendant d’être consommés

53 Ch.453 Tampons de communication (sections 4.4 et 4.5 à voir dans le lab) Prod Cons 1 donn Si le tampon est de longueur 1, le producteur et consommateur doivent forcement aller à la même vitesse

54 Tampons de communication Ch.454 Prod Cons 1 donn Prod Cons 1 donn Des tampons de longueur plus grande permettent une certaine indépendance. P.ex. à droite le consommateur a été plus lent

55 Ch.455 Laisse courte: peu d’indépendance entre homme et chien Laisse longue: plus d’indépendance (Mais à longue échéance les vitesses sont les mêmes)

56 Ch.456 Le tampon borné (bounded buffer) une structure de données fondamentale dans les SE b[0] b[1] b[7]b[2] b[6]b[3] b[4]b[5] ou out: 1ère pos. pleine in: 1ère pos. libre b[0] b[1]b[7]b[2]b[6]b[3]b[4]b[5] in: 1ère pos. libre out: 1ère pos. pleine bleu: plein, blanc: libre Le tampon borné se trouve dans la mémoire partagée entre producteur et consommateur À l’écriture d’une info dans le tampon, le producteur met à jour le pointeur in À la lecture d’une info dans le tampon, le consommateur mette à jour out Si le tampon est plein, le prod devra s’endormir, il sera plus tard réveillé par le consommateur Le rôle du consommateur est symétrique Notez que dans cette simple gestion, in=out peut vouloir dire tampon plein ou tampon vide V. solution plus sophistiquée plus tard

57 Ch.457 Utilisation du concept du tampon borné n Les tampons bornés sont partout en informatique, et partout dans les SE n Les files utilisées dans un SE sont des tampons bornés: u ‘pipes’ dans Unix u files d’attente pour ressources: file prêt, files pour imprimante, pour disque, etc. n Les protocoles de communications utilisent des tampons bornés: TCP, et autres n Un client communique avec un serveur par des tampons bornés, etc.

58 Ch.458 Concepts importants du Chapitre 4 n Processus u Création, terminaison, hiérarchie n États et transitions d’état des processus n Process Control Block PCB n Commutation de processus u Sauvegarde, rechargement de PCB n Files d’attente de processus et PCB n Ordonnanceurs à court, moyen, long terme n Processus communicants u Producteurs et consommateurs

59 Ch.459 Par rapport au manuel… n Tout à étudier à l’exception des sections 4.5.6, 4.5.7, 4.6 (tout) n Les exemples contenant du code Java et C seront expliqués aux sessions d’exercices

60 Ch.460 Différentes significations de ‘processus en exécution’ n Si nous parlons d’ordonnancement d’UCT, un processus est en exécution quand une UCT l’exécute n Si nous parlons d’ordonnancement de travaux, un processus est en exécution s’il a été admis et n’est pas encore terminé et donc il est dans un des états: u Prêt, attente, exécution u Pour ceci, je chercherai à utiliser le mot ‘actif’

61 Une ou plusieurs UCTs n Parfois on pourrait parler comme s’il y avait une seule UCT par ordi n C’était la situation jusqu’à quelques années n Aujourd’hui les ordis ont plusieurs UCTs n Quand un processus est prêt à être exécuté, il est assigné à une UCT disponible n Cependant certaines UCT pourraient être réservées à certains types de travaux u P.ex. une ou plusieurs pourraient être réservées aux opérations d’E/S Ch.461

62 Différences dans la logique? n Dans un magasin la logique d’exécution avec un seul caissier est la même qu’avec plusieurs caissiers n La logique d’un SE ne change pas qu’il y ait une ou plusieurs UCT Ch.462

63 Unité Centrales et ‘cœurs’ n Dans les ordis récents, on a normalement plusieurs unités capables chacune d’exécuter des instructions dans une seule puce: elles sont appelées ‘cœurs’ n Chacun de ces cœurs pourrait être traité de différentes manières u Comme UCT à part entière u Ou seulement pour exécuter des séquences d’instructions indépendantes quand elles se présentent sous contrôle du matériel ou logiciel Ch.463

64 Tas et pile: Implications pour la sécurité n Les concepts de ‘tas’ et ‘pile’ (heap and stack) sont importants dans la sécurité n Certains types d’attaques sont basés sur l’idée d’y introduire des informations truquées n P.ex. y injecter des adresses de retour qui dirigent l’exécution du processus vers un programme malveillant Ch.464

65 Terminologie n Tampon = anglais buffer u Zone de mémoire contenant des informations en transfert F P.ex. informations qui viennent d’être lues d’une périphérique et sont en attente de traitement F Ou informations qui sont prêtes pour la sortie F Ou informations préparées par un processus pour un autre u On peut avoir une zone tampon pour le disque, pour l’imprimante, etc. Ch.465

66 Questions de révision 1 n Dessiner le système de transitions d’états des processus n Expliquer les raisons qui peuvent causer chaque transition dans le diagramme n Quelles transitions d’états d’un processus peuvent causer des transitions d’un autre processus n Quels sont les données principales qui sont stockées dans un Process Control Block PCB Ch.466

67 Questions de révision 2 n Quelle est la différence entre ordonnanceur et répartiteur (dispatcher) n Expliquer brièvement les fonctions de chaque: u Ordonnanceur à court terme u Ordonnanceur à moyen terme u Ordonnanceur à long terme n Comprendre la structure des files d’attente des PCBs pour une situation donnée u Étant donné une certaine structure et un événement, quelle est la structure résultante Ch.467