Hebras, SMP, y Microkernels

1. Hebras, SMP, y Microkernels Capítulo 4

2. Dos características de un proceso • Propietario de Recursos • un proceso incluye un espacio virtual de direcciones donde se almacena la imagen del proceso. • En un momento dado el SO puede asignar recursos al proceso • Es planificado/ejecutado – sigue un camino de ejecución que puede intercalarse con la ejecución de otros procesos. Así un proceso puede estar Running, Ready, etc. • Estas dos características son tratadas independientemente por el SO • Entidad que se ejecuta/despacha es llamada hebra • Entidad dueña de recursos es llamado proceso

3. Procesamiento Multihebra • La capacidad del SO de soportar múltiples hebras de ejecución dentro de un proceso • MS-DOS soporta sólo una hebra (y sólo un proceso) • UNIX soporta múltiples procesos de usuario, pero sólo una hebra por proceso • Windows, Solaris, Linux, Mach, y OS/2 soportan múltiples hebra • En este caso, el proceso es asociado con • Un espacio virtual de direcciones que contiene la imagen del proceso • Acceso protegido al procesador, otros procesos, archivos, etc.

5. Una hebra posee • Un estado de ejecución (running, ready, etc.) • Un contexto de hebra, cuando no está ejecutándose • Un stack de ejecución • Almacenamiento estático de memoria para variables locales • Derecho a acceder la memoria y recursos del proceso al que pertenece • Todas la hebras de un proceso comparten esta propiedad

6. Todas la hebras de un proceso comparten los recursos de un proceso • Cada hebra puede tener su propio estado, pero cuando el proceso se suspende, todas las hebras se suspenden. Cuando el proceso termina, todas la hebras terminan • Cuando una hebra modifica un dato en memoria global, las otras hebras ven el resultado de la modificación

7. Beneficios de las hebras • Demora menos crear y eleminar una hebra que un proceso • Demora menos hacer cambio de contexto entre hebras de un mismo proceso que entre dos procesos • Ya que las hebras de un proceso comparten memoria y archivos, ellas se pueden comunicar sin necesidad de invocar rutinas del kernel

8. Ejemplo de uso de hebras en un sistema mono usuario multiprogramado • Ejecución concurrente de tareas background y foreground: • Ej cómputo y manejo de interface • Procesamiento asíncrono • Ej: Guarar periódicamente contenidos de editor de texto • Aumento velociad de ejecución • Intercalar procesamiento con lectura de próximo job • Estructura modular del programa

9. Estados de una hebra • Los estados típico son Running, Ready, y Blocked • Cuando un proceso es suspendido (swap-out), todas las hebras son suspendiadas • Si una hebra es bloqueada (estado Blocked), ¿qué pasa con las otras hebras del mismo proceso? (ver ejemplo que sigue) • Operaciones típicas que involucran estados • Spawn • Un proceso • Una hebra • Block. • Por ejemplo debido a I/O • Unblock • Término

10. RPC monohebra. • RPC multihebra.

11. Multi hebras en mono procesador

12. Hebras nivel usuario versus nivel kernel • Existen dos categorías generales de implementación de hebras: nivel de usuario y nivel de kernel • Nivel de usuario • Toda la administración de las hebras la realiza la aplicación misma (proceso) o por librerías de manejo de hebras • El kernel no sabe que el proceso tiene varias hebras y planifica (scheduled) el proceso no las hebras • El kernel podría ser mono hebrado

14. Hebras a nivel de usuario • Ventajas • Cambio de contexto no necesita privilegios del kernel y es más rápido • Scheduling puede depender y ser específico a la aplicación • Pueden ser implementadas en cualquier SO, y no requieren cambios al kernel • Desventajas • Cuando una hebra se boquea, el proceso entero se bloquea • Aunque exista varios procesadores, la hebras no podrían hacer uso de ellos en forma paralela

15. Hebras a nivel de kernel • Toda la administración de hebras la realiza el kernel (sistema puro) • Windows es un ejemplo de este modo • El kernel mantiene información de contexto por el proceso y por la hebras del proceso • Scheduling es al nivel de hebra • Ventajas: • Se puede explotar múltiples procesadores • Si una hebra se bloquea, el control de la CPU puede pasar a otra hebra • Desventaja: cambio de contexto entre hebras requiere la intervención del kernel

16. VAX Running UNIX-Like Operating System

17. Sistemas híbridos • La creación de hebras se hace a nivel de usuario • Parte de la sincronización y scheduling tambien se hace a nivel de usuario • Ejemplo es Solaris • La hebras a nivel de usuario se mapean (corren) sobre un número variable de hebras de kernel

18. Otros modelos

19. Multiprocesamiento simétrico (SMP)

20. Modelos de computación • Single Instruction Single Data (SISD) stream • Un flujo simple de instrucciones operan sobre una sequencia simple de datos almacenados en memoria • Single Instruction Multiple Data (SIMD) stream • Un mismo flujo de instrucciones opera sobre conjuntos diferentes de datos por diferentes unidades de procesamiento (procesadores vectoriales) • Multiple Instruction Single Data (MISD) stream • Una secuencia de datos se transmite a un conjunto de procesadores, los cuales ejecutan un operación distinta sobre ellos (nunca implementada) • Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) stream • Un conjunto de procesadores ejecutan instrucciones diferentes sobre conjuntos de datos diferentes simultáneamente

22. Modelos de asignación de procesos • Maestro/esclavo : El kernel del SO siempre corre en un procesador dado (maestro). El maestro envia procesos usuarios a los esclavos • Ventajas: simple, • Desventajas: Si se cae el maestro, todo el sistema se cae. También, el maestro puede ser un cuello de botella • Simétrico (SMP): El kernel se puede ejecutar en cualquier procesador • El kernel se puede construir como múltiples procesos o hebras • Cada procesador puede planifica sus propios procesos desde un pool de procesos disponibles • Desventaja: complicado

24. Consideraciones de diseño de SO SMP • Ejecución simultánea de procesos o hebras • El código del kernel debe ser reentrante • Scheduling • Cualquier procesador puede realizar su propio scheduling • Sincronización • Se debe controlar el acceso simultáneo a la memoria compartida y dispositivos de I/O compartidos • Administración de memoria • Además de todos los problemas típicos asociados con la administración de memoria, el SO debe explotar el paralelismo que el hardware le provee, como por ejemplo las memorias multipuerto • Confiabilidad y tolerancia a fallas • El SO debe estar preparado por si un procesador falla

25. Microkernels • Núcleo pequeño del sistema operativo que provee sólo las funciones escenciales • Muchos servicios que tradicionalmente son incluidos en el SO son dejados fuera del microkernel • Drivers de los dispositivos • Sistemas de archivos • Administrador de memoria virtual • Sistema de ventanas • Servicios de seguridad

26. En un microkernel, los componentes externos a él son implementados como procesos servidores, los cuales se comunican con paso de mensajes a través del microkernel

27. Beneficios de una organizacion microkernel • Interface uniforme para pedir servicios por los procesos • No hay distincion entre servicios a nivel de kernel o nivel de usuario • Todos los servicios se proveen mediante paso de mensajes • Extensibilidad • Facilita la adición de nuevos servicios • Sólo los servidores involucrados son modificados • El microkernel no se modifica • Flexibilidad • Facilita la adición de nuevas características • Facilita la eliminación características obsoletas • Portabilidad • Cambios para portar el SO a una nueva arquitectura se realizan sólo en el microkernel, no servicios • Confiabilidad • Diseño modular • Es más facil depurar un microkernel pequeño que un gran SO monolítico

28. Diseño de Microkernel • Un microkernel debe incluir funciones: • que dependen directamente del hardware • de apoyo a los servidores operando en modo usuario • Estas funciones caen en la siguientes categorias generales: • Administración de bajo nivel de memoria • Comunicación entre procesos • I/O • Administración de interrupciones

29. Windows Processes • Implemented as objects • An executable process may contain one or more threads • Both processes and thread objects have built-in synchronization capabilities

31. Windows Process Object

32. Windows Thread Object

33. Windows 2000Thread States • Ready • Standby • Running • Waiting • Transition • Terminated

35. Solaris • Process includes the user’s address space, stack, and process control block • User-level threads • Lightweight processes (LWP) • Kernel threads

38. Solaris Lightweight Data Structure • Identifier • Priority • Signal mask • Saved values of user-level registers • Kernel stack • Resource usage and profiling data • Pointer to the corresponding kernel thread • Pointer to the process structure

40. Linux Task Data Structure • State • Scheduling information • Identifiers • Interprocess communication • Links • Times and timers • File system • Address space • Processor-specific context

41. Linux States of a Process • Running • Interruptable • Uninterruptable • Stopped • Zombie