Betriebssysteme: Ressourcenmanagement, Prozesse & Speicher

Ressourcenmanagement in Betriebssystemen

Prozesse und Abläufe

• Definition Prozess: Ein Programm in Ausführung.
• Weitere Bezeichnungen:
  • Kontrollfluss
  • Aufgaben (Tasks)
  • Threads (Beispiel: Java)
  • Thread (Ausführungseinheit)
• Jedem Prozess (Betriebssystem) wird eine Datenstruktur, der Prozesskontrollblock (PCB), zugewiesen.
• Was beinhaltet der Prozesskontrollblock (PCB)?
  • Aktueller Zustand
  • Prozess-ID (PID)
  • Priorität des Prozesses
  • Speicherort
  • Genutzte Ressourcen

Threads und Prozesszustände

• Definition Thread: Ein Thread ist ein Ausführungspunkt innerhalb eines Prozesses (ein Prozess kann einen oder mehrere Threads haben).
• Beispiel: Word wird ausgeführt (1 Prozess). Bearbeitung von Dokument 1 (1. Thread), Bearbeitung von Dokument 2 (2. Thread).

Prozesszustände

• Laufend: In Betrieb auf einer CPU.
• Bereit: Wartend, aktiv.
• Blockiert: Angehalten, z.B. wartet auf eine freie Ressource (DVD-Player, ...).

Weitere Anmerkungen

• Jede Aktivität hat eine Prozess-ID (PID), wie bereits in Abschnitt 3.1 diskutiert.
• Ein Prozess hat eine Eltern-Prozess-ID (PPID). Ein Elternprozess kann unter Umständen andere Prozesse (Kinder) erzeugen.

Prozessübergänge

• Frage: Kann ein Prozess seinen Zustand ändern? Antwort: Ja.
• Betrachten Sie die Zustandsänderungen (Transitionen) in Abbildung 3.2 auf Seite 56 (Studieren Sie den erklärenden Text neben dem unteren Teil).

Zusätzliche Bemerkungen

• Wenn ein Prozess (oder Thread) seinen Zustand ändert, findet ein Kontextwechsel statt.
• Ist die Änderung zwischen Threads desselben Prozesses, spricht man von einem teilweisen Kontextwechsel. Erfolgt der Wechsel zwischen Threads verschiedener Prozesse, ist es ein vollständiger Kontextwechsel.
• Zustandsänderungen stehen in direktem Zusammenhang mit den Prioritäten zwischen den Prozessen.

Wer verwaltet all dies?

Antwort: Der Scheduler (Planer). Er ist der Mechanismus zur Ausführungsplanung, der die Prioritätszuweisung und den Scheduling-Algorithmus (z.B. mit Quanten) regelt.

Planungsalgorithmen (Scheduling-Algorithmen)

• a) Round-Robin-Algorithmus

  • Auch bekannt als Zeitsegment-Verfahren.
  • Jeder Prozess erhält die gleiche Menge an Rechenzeit (Quantum).
  • Die Auswahl der Prozesse erfolgt nach dem FIFO-Prinzip (First In, First Out).
  • Beispiel: CPU P1 → P2 → P3 (Quantum = 5 ms).

• b) FCFS-Algorithmus (First Come, First Serve)

  • Nutzt ebenfalls das FIFO-Prinzip.
  • Ein Prozess wird gestartet, und der nächste beginnt erst, wenn der vorherige beendet ist.

• c) SJF-Algorithmus (Shortest Job First)

  • Priorisiert kurze Prozesse in der Annahme, dass sie schnell beendet werden.

• d) SRTF-Algorithmus (Shortest Remaining Time First)

  • Priorisiert den Prozess mit der kürzesten verbleibenden Ausführungszeit.

RAM und Virtueller Speicher

• Das Konzept des virtuellen Speichers wurde 1961 von Fotheringham eingeführt.
• Es ermöglicht, einen Teil des Sekundärspeichers (Festplatte) als Erweiterung des RAMs zu nutzen (Virtualisierung).
• Problem: Die geringere Geschwindigkeit des Sekundärspeichers führt zu einer Verlangsamung.
• Frage: Kann (fast) der gesamte Sekundärspeicher als RAM genutzt werden?

Speicheraustausch (Swapping)

• Wenn ein Prozess in den Speicher geladen werden muss:
  • Der Scheduler greift auf den Speicher zu.
  • Der Memory Manager (Speicherverwaltung) ist zuständig.
• Speicherverwaltungstechniken:
  • Feste Partitionen
  • Variable Partitionen
  • Paging
  • Segmentierung
  • Externe Fragmentierung (ein Problem, das bei variablen Partitionen auftritt)

Paging, Segmentierung und Swapping

1 Paging

• Unterteilt:
  • RAM in Frames (Seitenrahmen)
  • Prozesse in Seiten
• Die verschiedenen Seiten werden in Frames platziert.
• Benötigt werden:
  • Eine Seitentabelle
  • Eine Seitenverwaltung

2 Segmentierung

• Es werden Blöcke unterschiedlicher Größe definiert, jedoch mit einer maximal zulässigen Größe.
• Diese Technik wird in der Prozessorarchitektur verwendet, die ein laufendes Programm in vier Blöcke unterteilt:
  • CS (Code Segment)
  • DS (Data Segment)
  • ES (Extra Segment)
  • SS (Stack Segment)
  Jedes Segment entspricht einem internen CPU-Register.

Klassifikation von Programmen

(Je nachdem, wie, wann und wo sie sich im Speicher befinden)

• Verschiebbar: Können ihre Position im RAM bei Bedarf ändern.
• Re-entrant: Code, der von mehreren Prozessen gleichzeitig genutzt werden kann, ohne dass es zu Konflikten kommt.
• Resident: Verbleiben dauerhaft im Speicher (z.B. Antivirenprogramme).
• Mehrfachnutzbar: Kann von mehreren Benutzern gleichzeitig verwendet werden.