ระบบปฏบัติการคอมพิวเตอร์: ธันวาคม 2017

ใบงานที่2การจัดการ Process

จัดทำโดย นาย สราวุฒิ เชื้อกสิกรรม รหัสนักศึกษา s6031280064

Process หมายถึง โปรแกรมที่กำลังถูกประมวลผล ในการทำงานทั่วไปในระบบคอมพิวเตอร์นั้นผู้ใช้อาจต้องการเรียกใช้ word processor หรือ java compiler หรือโปรแกรมอื่น ซึ่งโปรแกรมเหล่านี้จะถูกเปลี่ยนให้เป็น process ผ่านกระบวนการที่ได้กำหนดไว้ ช่วงชีวิตของโปรแกรมที่กำลังถูกประมวลผลนี้มีอยู่หลายสถานะ (process state) และตัวของ process เองก็ต้องมีที่เก็บข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับตัวมันเองซึ่งเราเรียกส่วนนี้ว่า process control block (PCB)

องค์ประกอบของโปรเซส

1. หมายเลขโปรเซส (Process id) ของโปรเซส ซึ่งต้องไม่ซ้ำกับโปรเซสอื่น

2. โค้ดโปรแกรม (Program code) เป็นคำสั่งที่สามารถเอ็กซีคิ้วได้ทันที (ภาษาเครื่อง)

3. ข้อมูล (Data) ที่โปรแกรมต้องการหรือจัดการ ข้อมูลนี้อาจเป็นของโปรเซสใดโปรเซส

4. บล็อกควบคุมโปรเซส (Process control block) หรือ PCB OS กำหนดเนื้อที่บาง
ส่วนในหน่วยความจำเพื่อทำเป็น PCB PCB เป็นโครงสร้างข้อมูลชนิดหนึ่งซึ่งเก็บข้อมูลที่สำคัญๆ ของโปรเซสนั้นๆ เอาไว้ ข้อมูลเหล่านี้ได้แก่

4.1 พอยเตอร์ (Pointer)

4.2 สถานะของโปรเซส (Process state)

4.3 หมายเลขโปรเซส (Program id)

4.4 ตัวนับจำนวน (Program counter)

4.5 รีจิสเตอร์ (Register)

4.6 ข้อมูลการจัดเวลาของซีพียู (CPU scheduling information)

4.7 ข้อมูลการจัดการหน่วยความจำ (Memory management information)

4.8 ข้อมูลแอ็กเคาต์ (Account information)

4.9 ข้อมูลสถานะอินพุต/เอาต์พุต (I/O status information)

Identifie หมายถึง หมายเลขประจำตัวของ process

State หมายถึง สถานะของ process ขณะประมวลผลPriority หมายถึง สิทธิของ process เมื่อเปรียบเทียบกับ process อื่นProgram counter หมายถึง ตำแหน่งของการประมวลผลคำสั่งถัดไปMemory pointers หมายถึง ตัวชี้หน่วยความจำที่ process ใช้อยู่Context data หมายถึง ข้อมูลที่อยู่ในregisterของprocessขณะถูกประมวลผลI/O status information หมายถึง ข้อมูลของ I/O ที่ process เกี่ยวข้องAccountinginformation ข้อมูลเกี่ยวกับเวลาของ CPU ที่process ใช้, เวลาที่ใช้ไป, ช่วงเวลาที่สามารถใช้ได้ และอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

5. PSW (program status words) เป็นตัวควบคุมลำดับการเอ็กซีคิ้วคำสั่งของโปรเซส และยังเก็บข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของโปรเซส แอดเดรสของคำสั่งต่อไปที่จะถูกเอ็กซีคิ้วจะถูกเก็บไว้ใน PSW PSW นี้จึงมีหน้าที่คล้ายๆ กับโปรแกรมเคาน์เตอร์บนเครื่องไมโครคอมพิวเตอร์

6. คุณสมบัติของโปรเซส ได้แก่

6.1 ลำดับความสำคัญ (Priority) ของโปรเซส โปรเซสแต่ละตัวจะถูกกำหนดความสำคัญขึ้นขณะที่โปรเซสถูกสร้างขึ้น ความสำคัญนี้อาจเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่ได้สุดแล้วแต่ OS โปรเซสที่มีความสำคัญมาก OS ก็จะให้สิทธิพิเศษมากกว่าโปรเซสที่มีความสำคัญน้อย เช่น ให้เวลาของซีพียูนานกว่า (ให้ครอบครองซีพียูได้นานกว่า)
6.2 อำนาจหน้าที่ (authority) เป็นสิ่งที่บ่งบอกว่าโปรเซสนั้นๆ สามารถทำอะไรได้บ้าง ใช้อุปกรณ์ชิ้นไหนได้บ้างเป็นต้น ตัวอย่างเช่นโปรเซส A ห้ามใช้ดิสก์ใดๆ ทั้งสิ้นแต่สามารถรับข้อมูลจากทุกๆ โปรเซสในระบบได้
6.3 คุณสมบัติอื่นๆ ที่ OS จะกำหนดให้มี

สถานะของโปรเซสสถานะของโปรเซสแบ่งได้ 6 สถานะ1. สถานะเริ่มต้น (New : The process is being created.)
2. สถานะพร้อม (Ready : The process is waiting to be assigned to a processor.)
3. สถานะรัน (Running : Instructions are being executed.)
4. สถานะรอ (Wait : The process is waiting for some event to occur.)
5. สถานะบล็อก (Block : The process is blocked for some event to occur.)
6. สถานะสิ้นสุด (Terminate : The process has finished execution.)

สถานะของโปรเซสแบ่งได้อีกแบบมี 4 สถานะ1. สถานะพร้อม (ready state) คือสถานะที่โปรเซสพร้อมที่จะใช้ซีพียูทันทีที่ระบบปฏิบัติการมอบหมายให้ ในสถานะนี้ไม่มีการรันของโปรเซส
2. สถานะรัน (running state) คือสถานะที่โปรเซสกำลังครอบครองซีพียูอยู่ มีการรันของโปรเซสจริงๆ เพราะโปรเซสใช้ซีพียูเอ็กซีคิ้วคำสั่ง หรือโค้ดโปรแกรมของโปรเซสนั้น
3. สถานะติดขัด (blocked state) คือสถานะที่โปรเซสหยุดรอเหตุการณ์ใดเหตุการณ์หนึ่งให้เกิดขึ้น โปรเซสไม่จำเป็นต้องใช้ซีพียูและยังไม่พร้อมที่จะครอบครองซีพียู ซึ่งจะทำให้โปรเซสอื่นเข้ามาครอบครองซีพียูในช่วงนี้ได้
4. สถานะพัก (suspend state) คือสถานะที่โปรเซสไม่มีการทำงานใดๆ หยุดนิ่งอย่างสมบูรณ์ ไม่มีการรอการใช้ซีพียูหรือเหตุการณ์ใดๆ ให้เกิดขึ้น

สถานะด้วยกัน ซึ่งสถานะดังกล่าวจะถูกกำหนดขึ้นโดยกิจกรรม ณ เวลาปัจจุบันที่กระบวนการนั้นๆกำลังกระทำอยู่โดยที่แต่ละ

กระบวนการจะตกอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่งจากสถานะทั้ง 5 ต่อไปนี้

New กระบวนการใหม่กำลังถูกสร้างขึ้น

Ready กระบวนการกำลังรอคอยที่จะเข้าใช้หน่วยประมวลผล

Running กระบวนการกำลังทำงานตามคำสั่งในโปรแกรม

Terminate กระบวนการเสร็จสิ้นการทำงาน

Waiting กระบวนการกำลังรอคอยให้เหตุการณ์บางอย่างเกิดขึ้น

1.New เป็นสถานะของกระบวนการใหม่ที่กำลังถูกสร้างขึ้นหรือกระบวนการเลือกมาจากหน่วยความจำสำรอง(Disk)ซึ่งเป็นคำสั่งที่ผู้ใช้เรียกใช้ผ่าน Command Interpreterแปลเป็นคำสั่งไปเรียกระบบปฏิบัติการให้ดึงข้อมูลหรือโปรแกรมมาตามคำสั่งของผู้ใช้เพื่อเข้ามาประมวลผลในระบบ เมื่อคำสั่งต่างๆถูกเรียกเข้ามาคำสั่งเหล่านั้นจะมาเข้าแถวรอในแถวงาน(Job Queue) เตรียมเปลี่ยนสถานะเพื่อทำงาน

2. Ready เป็นสถานะของกระบวนการที่เตรียมตัวเข้าไปใช้งานหน่วยประมวลผลกลางในสถานะนี้จะเปลี่ยนมาจาก New หรือ Waiting หรือ Running ก็ได้ กระบวนการที่มาจาก New, Waiting หรือ Running จะเข้าแถวคอยเพื่อเข้าไปใช้หน่วยประมวลผลกลางแถวคอยนี้เราเรียกว่า(Ready Queue)

3. Runningเป็นสถานะของกระบวนการที่ได้เข้าไปใช้งานหน่วยประมวลผลกลาง ณ เวลาใดเวลาหนึ่งจะมีเพียง 1 กระบวนการเท่านั้นที่อยู่ในสถานะนี้ของระบบ1ระบบ(มีเพียงกระบวนการเดียวเท่านั้นที่จะได้ใช้หน่วยประมวลผลกลางของแต่ละระบบ) เนื่องจากข้อจำกัดของประมวลผลกลางทำงานด้วยความเร็วสูงมาก จึงไม่มีปัญหาในเรื่องการรอ

4.Terminate เป็นสถานะของกระบวนการที่ได้รับการประมวลผลเสร็จเรียบร้อยแล้วหรือกระบวนการ มีการทำงานที่ผิดปกติ เช่น มีการหารด้วยศูนย์ระบบจะหยุดการทำงานของกระบวนการนั้น แล้วแจ้งให้ทราบถึงข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้น (Error)
5. Waiting เป็นสถานะของกระบวนการที่ได้เข้าไปใช้หน่วยประมวลผลกลางแล้วและมีการเรียกใช้อุปกรณ์รับ - ส่งข้อมูลหรืออุปกรณ์ต่างๆซึ่งทรัพยากรเหล่านั้นยังไม่ว่างหรือมีกระบวนการอื่นใช้อยู่(เนื่องจาก CPU ทำงานเร็วกว่าอุปกรณ์รับส่งข้อมูลมาก)กระบวนการเล่านั้นจะเปลี่ยนจากRunningมารอในสถานะนี้อาจมีกระบวนการหลายกระบวนการรออยู่จึงมีการจัดคิวในการรอทรัพยากรต่างๆเรียกว่า Device Queue หรือ Waiting Queue

การจัดเวลาโปรเซส

ระบบมัลติโปรแกรมมิ่ง คือ การจัดให้ process สามารถเข้าประมวลผลได้ตลอดเวลา
ระบบแบ่งเวลา คือ การสลับ process เข้าใช้ CPU บ่อย เท่าที่ผู้ใช้รู้สึกว่าทุก process ตอบสนองได้ตลอดเวลา
1. Device queue คือ การจัดคิวของโปรเซสต่าง ๆ เช่น คิวของ I/O คิวของการรอ child process หรือคิวของอินเทอร์รัพต์ เป็นต้น

เมื่อกระบวนการเข้าไปในระบบ จะถูกส่งเข้า job queue ซึ่ง queue จะรวบรวม process ทั้งหมดในระบบ และมีคำหลาย ๆ คำเกี่ยวกับการเข้าคิว เช่น ready, blocked และ running แต่ถ้า process รอเข้า I/O devices จะเรียกว่า device queue ซึ่งทุกอุปกรณ์จะมี device queue ของตนเอง

processes จะย้ายไปมาระหว่าง queue ต่าง ๆ โดยระบบปฏิบัติการมีหน้าที่เลือกตามวัตถุประสงค์ และความเหมาะสม ซึ่งถูกจัดการโดย scheduler สำหรับแต่ละ Device queue ต่างก็มี scheduler ของตนเอง และมี scheduler ส่วนกลาง ควบคุมการทำงานของ process ทั้งหมดอีกครั้งหนึ่ง

2. Contect switch คือ การทำงานที่ขึ้นกับความสามารถของฮาร์ดแวร์ เป็นการเลื่อน process ไปยังคิวต่อไป ในกรณีที่มีจำนวนโปรเซสมากกว่าชุดของรีจิสเตอร์ที่มีอยู่ ระบบจะคัดลอกโปรเซสส่วนเกินไปเป็นอีกชุดหนึ่ง เพื่อให้โปรเซสที่จำเป็นต้องเข้ามาได้ใช้รีจิสเตอร์ปัจจุบันได้ สำหรับรายละเอียดการจัดการโปรเซสขึ้นกับความสามารถของ OS เป็นเทคนิคที่หลีกเลี่ยงปัญหาคอขวดของระบบ

หลังประมวลผล Process หนึ่งเรียบร้อย ต้องย้ายไปยัง Process ใหม่ หรือ การย้ายจากหน่วยประมวลผลไปยังอีกกระบวนการหนึ่ง ต้องการ saving the stat of the old process and loading the saved state for the new process ซึ่งงานนี้ถูกเรียกว่า context switch สำหรับคำว่า context of process อาจแทนด้วย PCB of a process
Mutual exclusion

คือ การกีดกั้น ในบริเวณ หรือส่วนของโปรแกรมที่ process เข้าครอบครองรีซอร์ส ซึ่งเรียกว่า Critical region ซึ่งการกีดกั้นก็คือการไม่ยอมให้ process ใด ๆ เข้าใช้พื้นที่ ๆ เป็น Critical region ซึ่งมีคุณสมบัติอยู่ 4 ประการ

คุณสมบัติของ mutual exclusion

ไม่มี process อยู่ใน critical region พร้อมกัน
ไม่มีสมมติฐาน และข้อจำกัด ด้านความเร็ว หรือจำนวนซีพียูมาเป็นปัจจัย
ไม่มี process นอก critical region ที่ block การทำงานของ process อื่น
ไม่มี process ที่รอเข้าใจ critical region ตลอดเวลา

การแก้ปัญหา Mutual exclusion with busy waiting

Disable interrupt
Lock variable
Strict alternation
Peterson's solution
TSL instruction

การปฏิบัติการบนโปรเซส

ขณะคอมพิวเตอร์ทำงานต้องการสร้าง และลบ process ตลอดเวลา จึงต้องมีการควบคุมให้ระบบคงสภาพอยู่ตลอดเวลา โปรเซสแม่ (Parent process) และโปรเซสลูก (Children process) ต้องถูกสร้าง และหยุดทำงานได้อย่างสอดคล้อง เพื่อให้เข้าใจเรื่องของ process จึงขอแสดง tree of process on a typical UNIX system ประกอบการอธิบาย

1. การสร้างโปรเซส (Process creation)

ถ้า process สร้าง process ขึ้นใหม่ เมื่อพิจารณาการ execute

1. โปรเซสแม่ยังประมวลผลต่อไป พร้อมโปรเซสลูก

(The parent continues to execute concurrently with its children.)

2. โปรเซสแม่ต้องรอให้โปรเซสลูกบางตัว หรือโปรเซสลูกทั้งหมดสิ้งสุด จึงจะเริ่มประมวลผลได้ใหม่

(The parent waits until some or all of its children have terminated.)

ถ้า process สร้าง process ขึ้นใหม่ เมื่อพิจารณา address ของโปรเซสใหม่

1. โปรเซสลูกเป็นสำเนาของโปรเซสแม่ คือใช้ address เดียวกับแม่

(The child process is a duplicate of the parent process.)

2. โปรเซสลูกมีตำแหน่งของ load address ของตนเอง

(The child process has a program loaded into it.)
2. การสิ้นสุดของโปรเซส (Process termination)

3 เหตุผลที่ โปรเซสแม่จะหยุดการประมวลผลของโปรเซสลูก

1. โปรเซสลูกใช้ resource มากกว่าที่กำหนดไว้

2. ไม่มีความจำเป็นต้องใช้โปรเซสนั้นอีกแล้ว

3. โปรเซสแม่สิ้นสุด และ OS ไม่ยอมให้โปรเซสลูกทำงานต่อไป

ตัวอย่าง process ที่ประมวลผลใน Linux
[root@yn1 root]# ps -aux
USER       PID %CPU %MEM   VSZ  RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0  1376   84 ?        S    Oct08   0:12 init
root      1482  0.0  0.0  1440  156 ?        S    Oct08   0:32 syslogd -m 0
root      1486  0.0  0.0  1368    4 ?        S    Oct08   0:00 klogd -x
rpc       1504  0.0  0.0  1540    0 ?        SW   Oct08   0:00 [portmap]
rpcuser   1523  0.0  0.0  1680    0 ?        SW   Oct08   0:00 [rpc.statd]
named     1620  0.0  1.9 41836 5040 ?        S    Oct08   6:16 [named]
root      1635  0.0  0.1  3508  300 ?        S    Oct08   0:05 /usr/sbin/sshd
root      1649  0.0  0.1  2024  368 ?        S    Oct08   0:02 xinetd -stayalive
root      1659  0.0  0.0  1596   88 ?        S    Oct08   0:00 /usr/sbin/vsftpd
root      1680  0.0  0.2  5920  548 ?        S    Oct08   0:52 [sendmail]
smmsp     1689  0.0  0.1  5716  316 ?        S    Oct08   0:00 [sendmail]
apache    9825 99.9  0.0     0    0 ?        RW   Oct08 15286:48 [httpd]
root     10719  0.0  0.0 17200   96 ?        S    Oct18   0:02 /usr/sbin/httpd
apache   15017  0.0  3.0 22708 7860 ?        S    Oct18   0:07 [httpd]
apache   15018  0.0  2.8 23940 7312 ?        S    Oct18   0:06 [httpd]
apache   18350  0.0  3.3 27072 8604 ?        S    08:23   0:06 [httpd]
root     22018  0.0  0.8  6268 2108 ?        S    13:16   0:00 [sendmail]




โปรเซสสื่อประสาน (Cooperating process)




โปรเซสที่ประมวลผลในระบบอาจเป็นได้มีได้ 2 แบบคือโปรเซสอิสระ (Independent process) ซึ่งทำงานโดยไม่มีผลกระทบ หรือได้รับผลกระทบจากโปรเซสอื่น เป็นอิสระที่ไม่มีการแบ่งปันทรัพยากรร่วมกับใคร ส่วนโปรเซสสื่อประสาน (Cooperating process) อาจได้รับผลกระทบ หรือส่งผลกระทบต่อโปรเซสอื่น หรือกล่าวได้ว่ามีการใช้ทรัพยากรร่วมกับโปรเซสอื่น และเหตุที่ทำให้เกิดโปรเซสสื่อประสานอาจมีได้ดังนี้
1. การแบ่งปันข่าวสารข้อมูลร่วมกัน (Information sharing)
2. เพิ่มความเร็วในการคำนวณ (Computation speedup)
3. แบ่งงานตามหน้าที่เป็นโมดูล (Modularity)
4. ความสะดวก (Convenience)

การสื่อสารในโปรเซส (Interprocess communication : IPC)

การสื่อสารในโปรเซส หรือระหว่างโปรเซสมีเรื่องที่ต้องพิจารณาหลายเรื่อง
6.1 ระบบการผ่านข่าวสาร (Message-passing system)

การอำนวยความสะดวกของ IPC มีอย่างน้อย 2 กระบวนการคือ การส่งข่าวสาร Send(message) หรือ การรับข่าวสาร Receive(message) นอกจากนี้การบ่งบอกถึงการเชื่อมโยงข่าวสาร และการรับ-ส่งข่าว มีหลายวิธีดังนี้

- Direct or indirect communication (ทางตรง)

- Symmetric or asymmetric communication (สมมาตร)

- Automatic or explicit buffering (Explicit = แน่นอน)

- Send by copy or send by reference

- Fixed-sized or variable-sized messages
6.2 การตั้งชื่อ (Naming)
6.2.1 Direct communication

ทุกโปรเซสที่ติดต่อกันต้องมีการอ้างชื่ออย่างชัดเจน และแน่นอน เช่นการส่งข่าวสารจากโปรเซส A ไปโปรเซส B ก็ต้องระบุให้ชัดเจนว่าส่งจากไหนไปไหน

send(B,message) หมายถึง ส่งไปให้โปรเซส B
6.2.2 Indirect communication

receive(A,message) หมายถึง รับจากโปรเซส A

การติดต่อสื่อสารทางอ้อม เป็นการติดต่อผ่าน mailbox หรือ port ซึ่งทำหน้าที่เก็บโปรเซส แล้วส่งให้อีกโปรเซสหนึ่ง วิธีนี้ทำให้โปรเซสหนึ่งติดต่อโปรเซสอื่นผ่าน mail box ได้หลาย mail box เมื่อ share mail box ก็จะทำให้การสื่อสารมีประสิทธิภาพ

จากแนวคิดเรื่องการใช้ mail box ทำให้มีแบบของ mail box ขึ้น 3 แบบ

1. Queue mailbox มาก่อนออกก่อน แต่มีขนาด block คงที่ ใส่มากเกินไปก็จะเต็ม (First In First Out)

2. Pipe mailbox มีขนาดยืดหยุ่น ใส่ข้อมูบได้เท่าที่ต้องการ

3. Stack mailbox มาก่อนออกหลัง (First In Last Out)
6.3 การซิงโครไนซ์ (Synchronization)

การส่งข้อมูลระหว่างโปรเซสต้องใช้พื้นที่ในการเรียก send และ receive จึงต้องออกแบบให้การเรียกเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งใช้ความรู้เรื่องการเข้า blocking และ nonblocking ไม่ให้เกิด deadlock ขึ้น จึงมีเรื่องต้องพิจารณา 4 เรื่องดังนี้

- Blocking send : The sending process is blocked until the message is received by the receiving process or by the mailbox.

- Nonblocking send : The sending process sends the message and resumes operation.

- Blocking receive : The receiver blocks until a message is available.

- Nonblocking receive: The receiver retrieves either a valid message or a null.
6.4 บัฟเฟอร์ (Buffering)

โดยพื้นฐานแล้วการส่งข่าวสารผ่านคิว จะมีลักษณะคิวอยู่ 3 แบบ

- Zero capacity ไม่มีคิวอยู่ คือไม่มีการคอย ผู้ส่งต้องหยุดรอจนกระทั่งผู้รับได้รับ

- Bounded capacity คิวที่มีความยาวจำกัด หรือมีขอบเขตแน่นอน

- Unbounded capacity คิวที่มีความยาวไม่จำกัด ผู้ส่งจะไม่ถูกปฏิเสธ

แบบของการประมวลผล

อ้างอิง

http://csnon04.blogspot.com/2008/03/2-thread.html

http://oknation.nationtv.tv/blog/surawit/2008/08/20/entry-6

https://sites.google.com/site/bthreiynbththi99/1/kar-pramwl-phl-hrux-por-ses

ระบบปฏบัติการคอมพิวเตอร์

วันจันทร์ที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2560

ใบงานที่2การจัดการ Process

วันจันทร์ที่ 11 ธันวาคม พ.ศ. 2560