Bài giảng Hệ điều hành - Chương 3: Tiến trình

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 3 
Tiến trình
11/2/2017
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Câu hỏi ôn tập chương 2
 Nêu các thành phần chính của hệ điều hành?
 Nêu các dịch vụ mà hệ điều hành cung cấp?
 Lời gọi hệ thống là gì? Nêu 1 vài ví dụ?
 Có mấy dạng cấu trúc hệ điều hành? Kể tên?
 Máy ảo dùng để làm gì? Có mấy loại? Cho ví dụ
 Tiến trình là gì? Các nhiệm vụ chính của thành phần quản lý
tiến trình?
11/2/2017 2Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Mục tiêu chương 3
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 3
 Hiểu được khái niệm và các trạng thái của tiến trình
 Biết được các thông số của tiến trình
 Biết được các khái niệm về định thời tiến trình
 Biết được các tác vụ cơ bản của một tiến trình
 Hiểu được cách giao tiếp giữa các tiến trình
Nội dung chương 3
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 4
 Khái niệm cơ bản
 Trạng thái tiến trình
 Khối điều khiển tiến trình
 Định thời tiến trình
 Các tác vụ đối với tiến trình
 Sự cộng tác giữa các tiến trình
 Giao tiếp giữa các tiến trình
 Tiểu trình
Khái niệm cơ bản
 Các hoạt động của CPU được gọi là gì?
 Hệ thống bó (Batch system): jobs
 Time-shared systems: use program, task
 Các hoạt động là tương tự → gọi là process
 Tiến trình (process) là gì?
 Một chương trình đang thực thi
11/2/2017 5Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khái niệm cơ bản (tt)
 Một tiến trình bao gồm:
 Text section (program code)
 Data section (chứa global variables)
 Program counter (PC)
 Process status word (PSW)
 Stack pointer (SP)
 Memory management registers
 ...
11/2/2017 6Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khái niệm cơ bản (tt)
 Các bước nạp chương trình vào bộ nhớ:
11/2/2017 7Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khái niệm cơ bản (tt)
 Chương trình -> tiến trình:
 Dùng load module để biểu diễn chương trình thực thi được
 Layout luận lý của process image
11/2/2017 8Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khái niệm cơ bản (tt)
 Các bước khởi tạo tiến trình:
 Cấp phát một định danh duy nhất cho tiến trình
 Cấp phát không gian nhớ để nạp tiến trình
 Khởi tạo khối dữ liệu Process Control Block (PCB) cho tiến
trình
 Thiết lập các mối liên hệ cần thiết (ví dụ: sắp PCB vào hàng
đợi định thời, )
11/2/2017 9Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Trạng thái tiến trình
 new: tiến trình vừa được tạo
 ready: tiến trình đã có đủ tài nguyên, chỉ còn cần CPU
 running: các lệnh của tiến trình đang được thực thi
 waiting: hay là blocked, tiến trình đợi I/O hoàn tất, tín hiệu
 terminated: tiến trình đã kết thúc
11/2/2017 10Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Trạng thái tiến trình (tt)
11/2/2017 11Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Chuyển đổi giữa các trạng thái của tiến trình
ready running
dispatch
interrupt
I/O or event 
completion
I/O or 
event wait
new
terminated
waiting
admit exit
Trạng thái tiến trình (tt)
 Chuỗi trạng thái của tiến
trình test như sau
(trường hợp tốt nhất):
 new
 ready
 running
 waiting (do chờ I/O khi
gọi printf)
 ready
 running
 terminated
11/2/2017 12Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
/* test.c */
int main(int argc, char** argv)
{ 
printf(“Hello world\n");
exit(0);
}
Biên dịch chương trình trong 
Linux: gcc test.c –o test
Thực thi chương trình test: ./test
Trong hệ thống sẽ có một tiến 
trình test được tạo ra, thực thi và 
kết thúc.
Process Control Block
 Mỗi tiến trình trong hệ thống đều được cấp phát một Process
Control Block (PCB)
 PCB là một trong các cấu trúc dữ liệu quan trọng nhất của hệ
điều hành
 PCB gồm:
 Trạng thái tiến trình: new, ready, running,
 Bộ đếm chương trình
 Các thanh ghi
 Thông tin lập thời biểu CPU: độ ưu tiên, 
 Thông tin quản lý bộ nhớ
 Thông tin: lượng CPU, thời gian sử dụng,
 Thông tin trạng thái I/O
11/2/2017 13Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Process Control Block (tt)
11/2/2017 14Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Lưu đồ chuyển
CPU từ tiến
trình này đến
tiến trình khác
Yêu cầu đối với hệ điều hành về quản lý tiến trình 
 Hỗ trợ sự thực thi luân phiên giữa nhiều tiến trình
 Hiệu suất sử dụng CPU
 Thời gian đáp ứng
 Phân phối tài nguyên hệ thống hợp lý
 Tránh deadlock, trì hoãn vô hạn định
 Cung cấp cơ chế giao tiếp và đồng bộ hoạt động các tiến
trình
 Cung cấp cơ chế hỗ trợ user tạo/kết thúc tiến trình
11/2/2017 15Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Quản lý các tiến trình: các hàng đợi
11/2/2017 16Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
running
ready
waiting
7
11 4 2 17
19 11
process number
các PCB
Ví dụ
Có trường hợp sai không?
Định thời tiến trình
 Tại sao phải định thời?
 Đa chương
Có vài tiến trình chạy tại các thời điểm
Mục tiêu: tận dụng tối đa CPU
 Chia thời
User tương tác với mỗi chương trình đang thực thi
Mục tiêu: tối thiểu thời gian đáp ứng
11/2/2017 17Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các hàng đợi định thời
 Hàng đợi công
việc-Job queue
 Hàng đợi sẵn
sàng-Ready
queue
 Hàng đợi thiết
bị-Device
queues
 
11/2/2017 18Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các hàng đợi định thời (tt)
11/2/2017 19Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Lưu đồ hàng đợi của định thời tiến trình
Bộ định thời
 Bộ định thời công việc (Job scheduler) hay bộ định thời dài
(long-term scheduler)
 Bộ định thời CPU hay bộ định thời ngắn
 Các tiến trình có thể mô tả như:
 tiến trình hướng I/O
 tiến trình hướng CPU
 Thời gian thực hiện khác nhau -> kết hợp hài hòa giữa chúng
11/2/2017 20Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Bộ định thời trung gian
 Đôi khi hệ điều hành (như time-sharing system) có thêm
medium-term scheduling để điều chỉnh mức độ đa chương
của hệ thống
 Medium-term scheduler
 chuyển tiến trình từ bộ nhớ sang đĩa (swap out)
 chuyển tiến trình từ đĩa vào bộ nhớ (swap in)
11/2/2017 21Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các tác vụ đối với tiến trình
 Tạo tiến trình mới:
 Một tiến trình có thể tạo nhiều tiến trình mới thông qua một lời
gọi hệ thống create-process (vd: hàm fork trong Unix)
Ví dụ: (Unix) Khi user đăng nhập hệ thống, một command
interpreter (shell) sẽ được tạo ra cho user
 tiến trình được tạo là tiến trình con của tiến trình tạo (tiến trình
cha)
Quan hệ cha-con định nghĩa một cây tiến trình
11/2/2017 22Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cây tiến trình trong Linux/Unix
11/2/2017 23Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
init
pid = 1
sshd
pid = 3028
login
pid = 8415
kthreadd
pid = 2
sshd
pid = 3610
pdflush
pid = 200
khelper
pid = 6
tcsch
pid = 4005
emacs
pid = 9204
bash
pid = 8416
ps
pid = 9298
Các tác vụ đối với tiến trình (tt)
 Tạo tiến trình mới:
 tiến trình con nhận tài nguyên: từ HĐH hoặc từ tiến trình cha
 Chia sẻ tài nguyên của tiến trình cha
tiến trình cha và con chia sẻ mọi tài nguyên
tiến trình con chia sẻ một phần tài nguyên của cha
 Trình tự thực thi
tiến trình cha và con thực thi đồng thời (concurrently)
tiến trình cha đợi đến khi các tiến trình con kết thúc
11/2/2017 24Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Về quan hệ cha/con
 Không gian địa chỉ:
 Không gian địa chỉ của tiến trình con được nhân bản từ cha
 Không gian địa chỉ của tiến trình con được khởi tạo từ
template
 Ví dụ trong Unix/Linux
 System call fork() tạo một tiến trình mới
 System call exec() dùng sau fork() để nạp một chương trình
mới vào không gian nhớ của tiến trình mới
11/2/2017 25Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Ví dụ tạo process với fork()
11/2/2017 26Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
#include 
#include 
int main (int argc, char *argv[]){
int pid;
/* create a new process */
pid = fork();
if (pid > 0){
printf(“This is parent 
process”);
wait(NULL);
exit(0);} 
else if (pid == 0) {
printf(“This is child process”);
execlp(“/bin/ls”, “ls”, NULL);
exit(0);}
else { // pid < 0
printf(“Fork error\n”);
exit(-1);
}
}
Ví dụ tạo process với fork() (tt)
11/2/2017 27Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
#include 
#include 
int main (int argc, char *argv[])
{
printf(“hi”);
int pid = fork();
if (pid > 0){
fork();
printf(“hello”);}
else
fork();
printf(“bye”);
}
Ví dụ tạo process với fork() (tt)
11/2/2017 28Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
#include 
#include 
int main (int argc, char *argv[])
{
int pid;
printf(“hi”);
pid = fork();
if (pid > 0){
fork();
fork();
printf(“hello”);
}else
fork();
printf(“bye”);
}
Các tác vụ đối với tiến trình (tt)
 Kết thúc tiến trình:
 tiến trình tự kết thúc
tiến trình kết thúc khi thực thi lệnh cuối và gọi system routine
exit
 tiến trình kết thúc do tiến trình khác (có đủ quyền, vd: tiến
trình cha của nó)
Gọi system routine abort với tham số là pid (process identifier)
của tiến trình cần được kết thúc
 Hệ điều hành thu hồi tất cả các tài nguyên của tiến trình kết
thúc (vùng nhớ, I/O buffer,)
11/2/2017 29Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Cộng tác giữa các tiến trình
 Trong tiến trình thực thi, các tiến trình có thể cộng tác (cooperate)
để hoàn thành công việc
 Các tiến trình cộng tác để
 Chia sẻ dữ liệu (information sharing)
 Tăng tốc tính toán (computational speedup)
Nếu hệ thống có nhiều CPU, chia công việc tính toán thành
nhiều công việc tính toán nhỏ chạy song song
 Thực hiện một công việc chung
Xây dựng một phần mềm phức tạp bằng cách chia thành các
module/process hợp tác nhau
 Sự cộng tác giữa các tiến trình yêu cầu hệ điều hành hỗ trợ cơ chế
giao tiếp và cơ chế đồng bộ hoạt động của các tiến trình
11/2/2017 30Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Bài toán người sản xuất-người tiêu thụ
 Producer tạo ra các dữ liệu và consumer tiêu thụ, sử dụng
các dữ liệu đó
 Sự trao đổi thông tin thực hiện qua buffer
 unbounded buffer: kích thước buffer vô hạn (không thực tế)
 bounded buffer: kích thước buffer có hạn
 Producer và consumer phải hoạt động đồng bộ vì
 Consumer không được tiêu thụ khi producer chưa sản xuất
 Producer không được tạo thêm sản phẩm khi buffer đầy
11/2/2017 31Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Giao tiếp liên tiến trình
 IPC là cơ chế cung cấp bởi hệ điều hành nhằm giúp các tiến
trình:
 Giao tiếp với nhau
 Đồng bộ hoạt động
 mà không cần chia sẻ không gian địa chỉ
 IPC có thể được cung cấp bởi message passing system
11/2/2017 32Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Hệ thống truyền thông điệp
Làm thế nào để các tiến trình giao tiếp nhau?
 Đặt tên (Naming)
 Giao tiếp trực tiếp
send(P, msg): gửi thông điệp đến tiến trình P
receive(Q, msg): nhận thông điệp đến từ tiến trình Q
 Giao tiếp gián tiếp: thông qua mailbox hay port
send(A, msg): gửi thông điệp đến mailbox A
receive(Q, msg): nhận thông điệp từ mailbox B
 Đồng bộ hóa (Synchronization): blocking send, nonblocking
send, blocking receive, nonblocking receive
11/2/2017 33Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Hệ thống truyền thông điệp (tt)
Làm thế nào để các tiến trình giao tiếp nhau?
 Tạo vùng đệm (Buffering): dùng queue để tạm chứa các
message
 Khả năng chứa là 0 (Zero capacity hay no buffering)
 Bounded capacity: độ dài của queue là giới hạn
 Unbounded capacity: độ dài của queue là không giới hạn
11/2/2017 34Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Tiểu trình
 Tiểu trình: là một đơn vị cơ bản sử dụng CPU gồm:
 Thread ID, PC, Registers, Stack và chia sẻ chung code, data,
resourses (files)
11/2/2017 35Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
PCB và TCB trong mô hình multithreads
11/2/2017 36Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
pid
Threads list
Context
(Mem, global 
ressources)
Scheduling statistic
Relatives
( Dad, children)
PCB
tid
State
(State, details)
Context
(IP, local stack)
Thread Control Block
TCB
Lợi ích của tiến trình đa luồng
 Đáp ứng nhanh: cho phép chương trình tiếp tục thực thi khi
một bộ phận bị khóa hoặc một hoạt động dài
 Chia sẻ tài nguyên: tiết kiệm không gian nhớ
 Kinh tế: tạo và chuyển ngữ cảnh nhanh hơn tiến trình
 Ví dụ: Trong Solaris 2, tạo process chậm hơn 30 lần, chuyển
chậm hơn 5 lần so với thread
 Trong multiprocessor: có thể thực hiện song song
11/2/2017 37Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Tiểu trình người dùng (User thread)
11/2/2017 38Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khái niệm tiểu trình được hỗ trợ bởi một thư viện hoạt động trong 
user mode
T1
Kernel
T2
User
mode
Kernel
mode
T3
LWP1 LWP2
P1 P2
Tiểu trình hạt nhân (Kernel thread)
11/2/2017 39Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khái niệm tiểu trình được xây dựng bên trong hạt nhân
T1 T2
HDH
System call
User mode
Kernel mode
Tóm tắt lại nội dung buổi học
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 40
 Khái niệm cơ bản
 Trạng thái tiến trình
 Khối điều khiển tiến trình
 Định thời tiến trình
 Các tác vụ đối với tiến trình
 Sự cộng tác giữa các tiến trình
 Giao tiếp giữa các tiến trình
 Tiểu trình
Câu hỏi ôn tập chương 3
11/2/2017 41Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Nêu cụ thể các trạng thái của tiến trình?
/* test.c */
int main(int argc, char** argv)
{
printf(“Hello world\n");
scanf(“ Nhập c = %d”,&c);
exit(0);
}
Câu hỏi ôn tập chương 3 (tt)
11/2/2017 42Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
#include 
#include 
int main (int argc, char *argv[])
{
int pid;
pid = fork();
printf(“ so 1”);
printf(“ so 2”);
fork();
if (pid < 0){
printf(“hello”);
fork();
}else
fork();
printf(“bye”);
}
Chương trình 
này in ra những 
chữ gì?
Câu hỏi ôn tập chương 3 (tt)
 Process control block chứa những thông tin gì?
 Các tác vụ đối với tiến trình?
 Tại sao phải định thời, có mấy loại bộ định thời?
11/2/2017 43Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
THẢO LUẬN
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 44