Lec03 concurrency (2)

CS207
Үйлдлийн систем
Лекц 2
Давхцал
Процесс, хуулбар процесс, хаягийн
огторгуй
А.Хүдэр
elearn.sict.edu.mn

Lec 3.29/8/10 Kubiatowicz CS162 ©UCB Fall 2010
Үйлдлийн системийн түүх
• Яагаад судлах ёстой вэ?
– ТХ-ийн хязгаарлалт ҮС-д яаж нөлөөлснийг ойлгох?
• Хэд хэдэн ялгаатай үе шатууд:
– ТХ үнэтэй, Хүний хөдөлмөр хямд
» Eniac, … Multics
– ТХ хямд, Хүний хөдөлмөр үнэтэй
» PCs, Workstations, GUI-ийн үүсэл
– ТХ асар хямд, Хүний хөдөлмөр асар үнэтэй
» Хаа сайгүй төхөөрөмж, Өргөн тархсан сүлжээ
• ТХ өөрчлөгдөхийн хэрээр ҮС дагаж хурдтай өөрчлөгддөг.
– Багц  Multiprogramming  Timeshare  Graphical UI 
Хаа сайгүй төхөөрөмж  Cyberspace/Metaverse/??
– Шинж чанарууд аажмаар жижиг болж хувирч байна.
• Өнөөдрийн нөхцөл байдал 60-аад он шиг болж байна.
– Жижиг OS: 100K мөр/ Том: 10M мөр (5M browser!)
– 100-1000 хүн-жил

ҮС-ийн зарчим болон шинж чанарын шилжилт

Агуулга
• ҮС-ийн бүтцийн тухай ярьж дуусгана.
• Бид олон бодлогын горимыг яаж хийдэг вэ?
• Процесс гэж юу вэ?
• Хуулбар процесс болон хаягийн огторгуй ямар
хамааралтай вэ?
Note: Some slides and/or pictures in the following are
adapted from slides ©2005 Silberschatz, Galvin, and Gagne
Note: Some slides and/or pictures in the following are
adapted from slides ©2005 Silberschatz, Galvin, and Gagne.
Many slides generated from my lecture notes by Kubiatowicz.

UNIX системийн бүтэц
User Mode
Kernel Mode
Hardware
Програм
Стандарт сан

Микро кернел бүтэц
• Кернел хэрэглэгчийн орон зай руу аль болох ихийг зөөдөг.
– Кернелийн түвшинд ҮС-ийн жижиг цөм ажилдаг.
– ҮС үйлчилгээнүүд нь олон бие даасан процессуудаас тогтдог.
– Модулиуд нь хоорондоо мессеж дамжуулалтаар харилцдаг.
• Давуу тал:
– Микро кернелийг өргөтгөхөд хялбар
– Үйлдлийн системийг шинэ архитектур руу шилжүүлэхэд хялбар
– Илүү найдвартай (Кернелийн горимд бага хэмжээний код ажилана.)
– Алдаа тусгаарлалт (Кернелийн хэсгүүд өөр өөрөөсөө хамгаалагддаг.)
– Аюулгүй байдал сайтай
• Дутагдалтай тал:
– Энгийн байдлаар хэрэгжүүлбэл гүйцэтгэл удаан болдог.
Figure ©Wikipedia
монолитик
кернел
микрокернел

Олон цөмтэй чипийн дизайны шинэ хандлага?
Задаргаа: ҮС-ийн задлалт
• Энгийн элементүүдийг
хэсгүүдэд задлана
– Төхөөрөмжийн
драйверууд
(Нууцлалт/Найдвартай
байдал)
– Сүлжээний үйлчилгээ
(Гүйцэтгэл)
» TCP/IP стэк
» Firewall
» Вирус илрүүлэлт
» Нэвтрэлт илрүүлэлт
– Хадгалалт (Гүйцэтгэл,
Нууцлал, Найдвартай
байдал)
– Хяналтын үйлчилгээ
» Гүйцэтгэлийн тоолуур
» Өөрийн шалгалт
– Нэвтрэлт/Орчны
үйлчилгээ(Нууцлал)
» Биометр, GPS,
Эзэмшилтийг бүртгэх
• Програмд их зай өгнө
– Нөөцийг чөлөөтэй
хэрэглэх эрх
Төх.
драйв.
Видео&
Цонхны
драйв.
Firewall
Вирус
илр.
Дэлгэц
ба
адапт
Хадгалалт
& Файлын
систем
HCI/
Дуу
Танилт
Том програмууд
Бодит хугацааны
програм
Нэвтр

Давхцал
• “Хуулбар процесс”-ийн гүйцэтгэл
– Командыг татах/задлах/биелүүлэх бие даасан циклтэй.
– Хаягийн нэг орон зайд ажилладаг.
• Нэг бодлогын горим: Нэгэн зэрэг нэг хуулбар ажиллана.
– MS/DOS, Macintosh өмнөх хувилбар, Багц боловсруулалт
– ҮС хийж байгаа хүндээ хялбар
– Давхцал байхгүй
• Олон бодлогын горим: Нэгэн зэрэг олон хуулбар
ажиллана.
– Multics, UNIX/Linux, OS/2, Windows NT/2000/XP, Mac OS
X

Давхцалын үндсэн асуудал
• Давхцлын үндсэн асуудалд дараах нөөцүүд багтана:
– ТХ: ганц CPU, ганц DRAM, ганц I/O төхөөрөмж
– Олон бодлогын горимын API: Хэрэглэгчид дундын нөөцийг
зөвхөн өөрийнх гэж боддог.
• OS бүх үйл ажиллагааг зохицуулах хэрэгтэй
– Олон хэрэглэгч, I/O тасалдалууд, …
• Үндсэн санаа: Виртуал машины хийсвэрлэлийг хэрэглэх
– Хүнд бодлогыг энгийн бодлогууд болгож задлах
– Програмын биелэлтийг хийсвэрлэх
– Дараа нь, эдгээр хийсвэр машинуудыг нэгтгэх тал дээр
ажиллах
• Үүнийг Дейкстра “THE system” дээрээ хэрэгжүүлсэн
– Хэдхэн мянган мөр vs нэг сая мөр OS 360 (1K алдаа)

Татах
Биел
R0
…
R31
F0
…
F30
PC
…
Data1
Data0
Inst237
Inst236
…
Inst5
Inst4
Inst3
Inst2
Inst1
Inst0
Addr 0
Addr 232-1
Биелүүлэлтийн турш юу тохиолддог вэ?
• Биелүүлэх дараалал:
– Командыг ПТ-ээс татах
– Задлах
– Биелүүлэх (регистр ашиглаж болно.)
– Үр дүнгээ регистр/санах ой руу бичих
– ПТ = Дараагийн команд(ПТ)
– Давтах
ПТ
ПТ
ПТ
ПТ

Олон процессорын хийсвэрлэлийг яаж бий болгох вэ?
CPU3CPU2CPU1
Дундын санах ой
• Нэг процессортой гэж үзнэ. Олон процессорын хийсвэрлэлийг яаж
бий болгох вэ?
– Хугацаагаар ээлжлүүлэх!
• Виртуал “CPU” бүр дараах элементүүдээс тогтоно:
– Програм тоологч (ПТ), Stack Pointer (SP)
– Регистр (Бүхэл тоо, Хөвөгч таслалтай, бусад…?)
• Нэг CPU-ээс дараагийнх руу яаж шилжүүлдэг вэ?
– Анхны байгаа төлвийн мужийг ПТ, SP болон регистрүүдийг
хадгалдаг.
– Шинэ төлвийн мужаас ПТ, SP болон регистрүүдийг ачаалладаг.
• Шилжилтийг яаж хийдэг вэ?
– Тоологч, өөрөө гарах, I/O, бусад
CPU1 CPU2 CPU3 CPU1 CPU2
Хугацаа

Энгийн олон бодлогын горимын техникийн шинж чанар
• Бүх виртуал CPU-үүд бусад нөөцөө хуваалцана.
– I/O төхөөрөмжүүд ижил
– Нэг санах ойтой
• Хуваалцлын үр дүн:
– Хуулбар болгон бусад хуулбарын өгөгдөл рүү хандаж
чаддаг. (Хуваалцахад сайн, хамгаалалтанд муу)
– Хуулбарууд командаа хуваалцана
(Хуваалцахад сайн, хамгаалалтанд муу)
– Хуулбар нь ҮС-ийн функцуудыг дарж бичиж чадах уу?
• Энэ загвар нь (хамгаалалтгүй) дараах програмуудад
хэрэглэгддэг:
– Эмбэдэд програмууд
– Windows 3.1/Machintosh (Сайн дураар шилжих)
– Windows 95—ME? (Сайн дураар болон тоолуураар
шилжих)

Орчин үеийн техник: SMT/Hyperthreading
• Техник хангамжийн арга
– Суперскаляр процессорын
шинж чанарыг ашиглан олон
процессорын хийсвэрлэлийг
үүсгэх
– Процессорын нөөцийн
ашиглалтыг сайжруулах
• Тус тусдаа CPU дээр ажил-
-лаж байгаа юм шиг төлөвлөнө.
– Гэвч, хурд шугаман байдлаар
өсөхгүй!
– Олон процессортой бол
процессор бүрийг эхэлж төлөвлөнө.
• SMT - “Simultaneous Multithreading” /арга/
– http://www.cs.washington.edu/research/smt/
– Alpha, SPARC, Pentium 4 (“Hyperthreading”), Power 5

Хуулбаруудыг бие биенээс яаж хамгаалах вэ?
• Гурван чухал зүйл байдаг:
1. Санах ойн хамгаалалт
» Програм болгон санах ойг бүтнээр нь эзэмшихгүй.
2. I/O гаралтын хамгаалалт
» Програм болгон бүх төхөөрөмж рүү хандахгүй.
3. Процессорын хандалтын хамгаалалт:
Програмаас програм руу давуу эрхээр шилжинэ.
» Тоолуур ашиглах
» Програмын кодоос тоолуурыг идэвхгүй болгож
чадахгүй.

ProgramAddressSpace
Програмын хаягийн огторгуй
• Хаягийн огторгуйthe хандах
боломжтой хаягийн олонлог + тэдний
холбогдох төлөв:
– 32 битийн процессорт : 232 = 4 тэр бум
хаяг
• Хаягаас унших болон бичихэд юу
болдог вэ?
– Юу ч болохгү байж магадгүй
– Энгийн санах ой шиг ажиллаж
магадгүй
– Бичихийг хориглож магадгүй
– I/O үйлдлийг хориглож магадгүй
» (Memory-mapped I/O)
– ОТ үүсэж магадгүй (Алдаа)

Хаяг хувиргалтын жишээ
Прог 1
Виртуал
хаягийн огторгуй 1
Прог 2
Виртуал
хаягийн
огторгуй 2
Код
Өгөгдөл
Овоолго
Стэк
Код
Өгөгдөл
Овоолго
Стэк
Өгөгдөл 2
Стэк 1
Овоолго 1
ҮС Ов. &
Стэк
Код 1
Стэк 2
Өгөгдөл 1
Овоолго 2
Код 2
ҮС Код
ҮС Өгөгд
Хувиргалтын
буулгалт 1
Хувиргалтын
буулгалт 2
Физик хаягийн огторгуй

Уламжлалт UNIX-ийн процесс
• Процесс: Нэг програмыг ажиллуулахад
шаардлагатай зүйлсийг дүрслэх ҮС хийсвэрлэл.
– “Хүнд жингийн процесс” гэж нэрлэдэг.
– Өөрөөр хэлбэл: хаягийн огторгуйд ажиллаж байгаа
ганц дараалсан урсгал
• Хоёр хэсэгтэй:
– Програмын дараалсан ургсгалын биелэлт
» Код нь дараалсан ганц урсгал байдлаар биелэнэ.
» CPU-гийн регистрүүдийн төлвийг агуулна.
– Хамгаалагдсан нөөц:
» Үндсэн санах ойн төлөв (хаягийн огторгуйн агуулга)
» I/O-ийн төлөв (Жнь. Файлын тодорхойлогч)
• Чухал: Хүнд жингийн процесс-д давхцал байхгүй.

Process
Control
Block
Процессуудыг яаж ээлжлүүлэх вэ?
• Процессын төлвийг процесс удирдах
блокод хадгална. (ПУБ):
– Энэ бол биелэлтийн болон хамгаалалтын
орчны нэг агшины зураг юм.
– Нэг зэрэг нэг ПУБ идэвхтэй байна.
• CPU-ний хугацааг процессуудад тараах
(Төлөвлөлт):
– Нэг зэрэг нэг процесс ажиллана.
– Чухал процессуудад илүү хугацаа өгнө.
• Ялгаатай процессуудад нөөцийг хувааж
өгнө. (Хамгаалалт):
– Бусад нөөцийн хандалтыг хянана.
– Жишээ нь:
» Санах ойн буулгалт: Пр болгон хаягийн
огторгуйтай байна.
» Кернел/Хэрэглэгч хослол: Системийн
дуудалтыг ашиглан I/O – руу хүссэн үедээ
хандана.

CPU-г Пр-ээс Пр руу шилжүүлэх
• Үүнийг бас “Орчин солих” гэж нэрлэдэг.
• Орчин солихыг кернел гүйцэтгэх ба бага зэрэг ачаалдаг.
– Ачаалал нь практик дээр солилтын хамгийн бага хугацааг
тогтооно.
– SMT/hyperthreading нь бага ачаалладаг, гэвч… нөөцийн
агуулга их байна.

Пр-ын төлвийн диаграм
• Пр-ийн ажиллагаа нь дараах төлвүүдтэй.
– шинэ: Пр үүсэж байгаа
– бэлэн: Пр ажиллахаар хүлээж байгаа
– ажиллах: Командыг биелүүлж байгаа
– хүлээх: Пр ямар нэг үйл явдлыг хүлээж байгаа
– хаагдах: Пр ажиллаж дууссан.

Процессийн төлөвлөлт
• ПУБ нь төлөв солигдоход дарааллаас дараалал руу
шилжинэ.
– Дарааллаас аль пр-ыг гаргахыг төлөвлөлтөөр шийднэ.
– Олон алгоримт буй (одоогоос хэдэн долоо хоногийн дараа)

Пр-г яаж үүсгэх вэ?
• Шинэ ПУБ үүсгэх хэрэгтэй
– Амархан
• Хаягийн огторгуйд зориулж хуудсын хүснэгт үүсгэнэ.
– Илүү удаан
• Эцэг пр-оос өгөгдлийг хуулах (Unix-ийн fork() )
– Unix-ийн fork() нь хүү пр нь эцэг пр-ийн санах ойн
болон I/O –ийн төлвийг бүрэн хуулж авна.
– Ер нь маш удаан
– “copy on write” гэдэг оновчлол хэрэглэвэл арай хурдан
болно.
• I/O-н төлвийг хуулах (файл тодорхойлогч, г.м)
– Дунд зэргийн хугацаатай

Пр =? Програм
• Програмаас пр нь том:
– Програм бол пр-ийн төлвийн нэг хэсэг юм.
• Програмаас пр нь жижиг:
– Програм нэгээс олон пр дуудаж чадна.
main ()
{
…;
}
A() {
…
}
main ()
{
…;
}
A() {
…
}
Heap
Stack
A
main
Program Process

Олон Пр нэг бодлого дээр ажиллах
• Пр-г үүсгэх болон санах ойн өндөр ачаалалтай
• (Харьцангуй) Орчин солилт өндөр ачаалалтай
• Харилцааны механизм хэрэгтэй:
– Пр-ууд өөрийн хаягийн огторгуйтай.
– Дундын-Санах Ойн Буулгалт
» DRAM дээр ерөнхий буулгалтаар хэрэгжүүлнэ.
» Дундын санах ойгоор уншиж бичнэ.
– Мессеж дамжуулалт
» send() ба receive() функцтэй
» Сүлжээний орчинд ажиллана.
Proc 1 Proc 2 Proc 3

Дундын санах ойгоор харилцах
Prog 1
Virtual
Address
Space 1
Prog 2
Virtual
Address
Space 2
Data 2
Stack 1
Heap 1
Code 1
Stack 2
Data 1
Heap 2
Code 2
Shared
• Дундын санах ой руугаа унших бичих байдлаар
харилцана.
– Харилцааны ачаалал маш бага
– Синхрончлолын асуудлууд үүсэж эхэлнэ.
Code
Data
Heap
Stack
Shared
Code
Data
Heap
Stack
Shared

Орчин үеийн “Хөнгөн жингийн” пр-г хуулбараар
хэрэгжүүлэх
• Хуулбар: a sequential execution stream within process
(Sometimes called a “Lightweight process”)
– Process still contains a single Address Space
– No protection between threads
• Олон хуулбар: a single program made up of a number of
different concurrent activities
– Sometimes called multitasking, as in Ada…
• Why separate the concept of a thread from that of a process?
– Discuss the “thread” part of a process (concurrency)
– Separate from the “address space” (Protection)
– Heavyweight Process  Process with one thread

Single and Multithreaded Processes
• Threads encapsulate concurrency: “Active” component
• Address spaces encapsulate protection: “Passive” part
– Keeps buggy program from trashing the system
• Why have multiple threads per address space?

Examples of multithreaded programs
• Embedded systems
– Elevators, Planes, Medical systems, Wristwatches
– Single Program, concurrent operations
• Most modern OS kernels
– Internally concurrent because have to deal with concurrent
requests by multiple users
– But no protection needed within kernel
• Database Servers
– Access to shared data by many concurrent users
– Also background utility processing must be done

Examples of multithreaded programs (con’t)
• Network Servers
– Concurrent requests from network
– Again, single program, multiple concurrent operations
– File server, Web server, and airline reservation systems
• Parallel Programming (More than one physical CPU)
– Split program into multiple threads for parallelism
– This is called Multiprocessing
• Some multiprocessors are actually uniprogrammed:
– Multiple threads in one address space but one program at a
time

Thread State
• State shared by all threads in process/addr space
– Contents of memory (global variables, heap)
– I/O state (file system, network connections, etc)
• State “private” to each thread
– Kept in TCB  Thread Control Block
– CPU registers (including, program counter)
– Execution stack – what is this?
• Execution Stack
– Parameters, Temporary variables
– return PCs are kept while called procedures are executing

Execution Stack Example
• Stack holds temporary results
• Permits recursive execution
• Crucial to modern languages
A(int tmp) {
if (tmp<2)
B();
printf(tmp);
}
B() {
C();
}
C() {
A(2);
}
A(1);
A: tmp=2
ret=C+1Stack
Pointer
Stack Growth
A: tmp=1
ret=exit
B: ret=A+2
C: ret=b+1

Classification
• Real operating systems have either
– One or many address spaces
– One or many threads per address space
• Did Windows 95/98/ME have real memory protection?
– No: Users could overwrite process tables/System DLLs
Mach, OS/2, Linux
Windows 9x???
Win NT to XP,
Solaris, HP-UX, OS X
Embedded systems
(Geoworks, VxWorks,
JavaOS,etc)
JavaOS, Pilot(PC)
Traditional UNIX
MS/DOS, early
Macintosh
Many
One
# threads
Per AS:
ManyOne
#ofaddr
spaces:

Java APPS
OS
Hardware
Java OS
Structure
Example: Implementation Java OS
• Many threads, one Address Space
• Why another OS?
– Recommended Minimum memory sizes:
» UNIX + X Windows: 32MB
» Windows 98: 16-32MB
» Windows NT: 32-64MB
» Windows 2000/XP: 64-128MB
– What if we want a cheap network
point-of-sale computer?
» Say need 1000 terminals
» Want < 8MB
• What language to write this OS in?
– C/C++/ASM? Not terribly high-level. Hard to
debug.
– Java/Lisp? Not quite sufficient – need direct
access to HW/memory management

Summary
• Processes have two parts
– Threads (Concurrency)
– Address Spaces (Protection)
• Concurrency accomplished by multiplexing CPU Time:
– Unloading current thread (PC, registers)
– Loading new thread (PC, registers)
– Such context switching may be voluntary (yield(), I/O
operations) or involuntary (timer, other interrupts)
• Protection accomplished restricting access:
– Memory mapping isolates processes from each other
– Dual-mode for isolating I/O, other resources
• Book talks about processes
– When this concerns concurrency, really talking about thread
portion of a process
– When this concerns protection, talking about address space
portion of a process

Lec03 concurrency (2)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Lec03 concurrency (2)

Similar to Lec03 concurrency (2) (20)

More from Khuder Altangerel

More from Khuder Altangerel (10)

Lec03 concurrency (2)

Editor's Notes