Transcript オペレーティングシステム

オペレーティングシステム
(プロセス管理)
2006年10月16日
酒居敬一([email protected])
http://www.info.kochi-tech.ac.jp/k1sakai/Lecture/OS/2006/
プロセスの生成と実行(30ページ)
• プロセスの生成
– プログラムをコンパイルし実行可状態に置く
• 実行可能形式ファイルをロードする
• spawn
– 現在実行中のプログラムを複製する
• fork, rfork, clone,…
• 新しいプログラムはexecでオーバーレイする
• OSの成り立ちなどで異なる
– Unixは、複製によりプロセスを生成する
プロセスの関係
[大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎]
生成されたプロセスはすべて同時に動く
static int init(void * unused)
{
lock_kernel();
/*
* Tell the world that we're going to be the grim
* reaper of innocent orphaned children.
*
* We don't want people to have to make incorrect
* assumptions about where in the task array this
* can be found.
*/
child_reaper = current;
起動シーケンスの最終段階
/* Sets up cpus_possible() */
smp_prepare_cpus(max_cpus);
do_pre_smp_initcalls();
smp_init();
do_basic_setup();
prepare_namespace();
/*
* Ok, we have completed the initial bootup, and
* we're essentially up and running. Get rid of the
* initmem segments and start the user-mode stuff..
/*
*/
* We try each of these until one succeeds.
free_initmem();
*
unlock_kernel();
* The Bourne shell can be used instead of init if we are
system_running = 1;
* trying to recover a really broken machine.
if (open("/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk("Warning: unable to open an initial*/console.\n");
if (execute_command)
(void) dup(0);
run_init_process(execute_command);
(void) dup(0);
run_init_process("/sbin/init");
run_init_process("/etc/init");
run_init_process("/bin/init");
run_init_process("/bin/sh");
panic("No init found. Try passing init= option to kernel.");
}
プロセスに対して行われる各種の基本操作
• 生成(spawn)や複製(fork)
– タスク管理領域を生成するか複製するか
• 消滅
– タスク管理領域を親のタスクが消す
• 消えるまでの間が消滅中状態(ゾンビ)
• シグナル送信
– 終了
– 停止
• 同期
プロセスに対する操作（forkによる生成）
[大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎]
プロセス間通信（３２ページ）
• パイプ（９３ページ）
– カーネルが作り出した仮想的な通信路
• ソケット（１０７ページ）
– パイプの通信範囲を計算機間にまで広げたもの
• 共有メモリ(Shared Memory)
– 仮想記憶のところで説明します
• 擬似端末(Pseudo TTY)
– デバイスドライバにより作られた仮想的な端末
プロセスの同期
• パイプを使う方法
– mkfifo コマンドで名前つきパイプを作る
– 一方を cat コマンドで読み取りとして、
– もう一方をcatコマンドで書き込みとする。
% mknod named_pipe
% cat named_pipe
aa
bb
cc
dd
%
% cat > named_pipe
aa
bb
cc
dd
^D
%
プロセスの同期（３６ページ）
• 並列処理には必要不可欠である
• 同期のための仕組みがある
– セマフォ
• SYS V IPC(Inter-Process Communication)
– ロック
• ＰＯＳＩＸ Ｔｈｒｅａｄ
– モニタ
• Java が採用
並行プロセス間で生じる問題
逐次的資源
たとえば、Read-modify-write のような、
一連の操作をAtomicに行う必要のある資源。
このような逐次的資源が共有されるとき、
Atomicに操作できるような機構が必要となる。
もし、そういう機構がなければプログラムが意
図したとおりに動かない。
処理の粒度
• マルチジョブ
– レコードの排他的利用
– トランザクションを不可分な処理単位とする
• マルチタスク
– メモリ上の共有領域の排他的利用
– 共有領域を使用するプログラムを排他的に実行
• マルチCPU
– メモリ上の変数の排他的利用
– プロセッサのバスサイクルを連続する
c1やc2は、自プロセスが
他プロセスに、臨界領域に入ること
を知らせるための変数。
先に臨界領域に入ることを宣言した
プロセスが実際に臨界領域に入る。
両方が臨界領域に入ろうとしたとき、
turn変数により一方が譲る。
臨界領域に入っているとき、
c1かc2の一方だけがtrueである。
[大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎]
相互排除
• TAS命令（計算機アーキテクチャの授業で既出）
– もっとも原始的なロックの実装(primitive)。
– 2値セマフォを実現する。
• セマフォ
– P操作（ロック）とV操作（アンロック）により実現。
– 再帰的ロックとも呼ばれる。
• モニタ（Java言語で使われている）
– 共有資源とそれを操作する手続きを一体化。
– セマフォのわかりにくさを、構造化により解消。
– 構造化セマフォと呼ばれることもある。
TAS命令
• メモリ上の変数をテストする処理、メモリ上の
変数に値をセットする処理、これらを順に他
の処理をはさむことなく(=Atomic)行う。
• テストとは、0かそうでないかを調べてフラグ
に結果を反映する処理
• Intel系では lock xchg 命令で代用する。
– バスサイクルをlock（不可分かつ連続）して処理
• バイナリセマフォ、２値セマフォ、を実現する。
変形セマフォ
• セマフォ変数
– 正の値は利用可能な資源の数
– 負の値は現在待ちに入っているプロセスの数
• P操作
– セマフォの値をatomicに１減らしテストする
• テスト結果が負になったときは、待ち状態に入る
• V操作
– セマフォの値をatomicにテストし１増やす
• テスト結果が負のときは、待ち状態にあるプロセスを
ひとつ動作可能状態にする
相互排除とデッドロック
• 競合を避けるため相互排除機構を持っている。
– これが時に問題を起こす。
２つのスレッドが資源Aと資源Bを同時にとりたいとき
資源が２つそろうまでは返さないぞ、というアルゴリズムだと…
スレッド１
スレッド２
資源Aを獲得
資源Bを獲得したい！
資源Bを獲得
資源Aを獲得したい！
デッドロックの発生条件と防止
 逐次的資源に関する相互排除条件
 待ち条件
 資源要求は同時に行う
 横取り不可条件
 資源を同時に確保できない場合、解放し再度要求
 循環待ち条件
 資源を順序だてて取得する
２つのプロセスが資源R1と資源R2を同時にとりたいとき
Deadlock!
資源が２つそろうまでは返さないぞ、というアルゴリズムだと…
プロセスP１
資源R1を獲得
資源R2を獲得したい！
プロセスP２
資源R2を獲得
資源R1を獲得したい！
例：相互排除
• /usr/src/linux/drivers/char/lp.c
• Atomic処理
• スピンロック
• カーネルロック(全域的ロック)
• mutexやセマフォ(局所的ロック)
例：相互排除の実装
• Atomic処理
– /usr/src/linux/include/asm/atomic.h
• スピンロック
– /usr/src/linux/include/asm/lock.h
• カーネルロック(全域的ロック)
– /usr/src/linux/include/asm/smplock.h
• mutexやセマフォ(局所的ロック)
– /usr/src/linux/include/asm/semaphore.h
プロセスとスレッド(38ページ)
• どちらも実行のひとつの単位である
– そういう意味では「タスク」とひとくくりに扱う。
• スレッドはプロセスに属する点が異なる
• 同じプロセスに属す限り、資源は共有しあう
• 軽量プロセス＝スレッドという定義もある。
• CPUが複数個存在する場合に、同じプロセス
の複数のスレッドが実行できる。
– 高速処理や効率的な処理には良いが…
– 資源の競合が起きるかもしれない…
[大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎]