February 17, 2022

STP015: Multitasking in Betriebssystemen

1 hour 10 minutes

Um viele Dinge gefühlt gleichzeitig tun zu können, ist die Computertechnik einen weiten Weg gegangen. In der heutigen Folge halten wir viele lose Fäden in der Hand und ständig merkt Xyrill, dass dies und jenes ja auch noch notwendig ist, um zum Ziel zu kommen: Zu Multitasking.

Shownotes

Vorbemerkung: Begriffsklärung Programm vs. Prozess

Programm: ein bestimmtes Stück Maschinencode, das zumeist auf der Festplatte vorgehalten wird

Prozess: eine bestimmte Laufzeitinstanz eines Programms

Prozess = Programm + zugehörige Daten im Speicher + zugehörige Berechtigungen etc.

Multitasking: Ausführung mehrerer Aufgaben zur selben Zeit oder abwechselnd in kurzen Zeitabschnitten

konkurrente Ausführung: abwechselnd in kurzen Zeitabschnitten

parallelle Ausführung: zur selben Zeit (z.B. Parallelbearbeitung mehrerer Daten in der GPU, Parallelität in mehreren CPU-Kernen); heute nicht so sehr im Fokus

Analogie: Multitasking beim Menschen

Idee 1: tatsächlich parallele Ausführung, z.B. gehen und gleichzeitig sprechen

Idee 2: Teilaufgaben an einer jeweils sinnvollen Stelle unterbrechen und während der Wartezeiten etwas anderes machen, z.B. Kochen/Backen (entspricht dem kooperativen Multitasking)

Idee 3: Teilaufgaben nach einer bestimmten Zeit oder bei äußeren Ereignissen unterbrechen, z.B. Büroarbeit (entspricht dem präemptiven Multitasking)

kooperatives Multitasking: Prozesse unterbrechen sich selbst, wenn sich abzeichnet, dass sie warten müssen

z.B. auf das Lesen von Daten von der Festplatte oder eine Antwort aus dem Netzwerk

Problem 1: jedes Programm muss Unterbrechungspunkte enthalten

Problem 2: unkooperative Programme (z.B. fehlerhafte oder Schadsoftware) können das gesamte System blockieren

weit verbreitet in der Ära der frühen Heimcomputer (C64, DOS-PCs, Macs bis Mac OS 9)

heute nicht mehr im Einsatz, da moderne Prozessoren interruptfähig sind und somit präemptives Multitasking möglich ist

präemptives Multitasking: Prozesse werden nach dem Ablauf ihrer zugeteilten Zeitscheibe unterbrochen, damit jemand anderes drankommen kann

bevor der Prozess drankommt, stellt das Betriebssystem einen Hardware-Timer in der CPU

nach Ablauf des Timers löst die CPU einen Interrupt (eine Unterbrechung) aus

CPU unterbricht die Arbeit am Prozess und führt eine vom Betriebssystem definierte ISR (Interrupt Service Routine) aus

ISR speichert den Zustand des Prozesses (insb. die Inhalte aller Prozessor-Register) und gibt die Ausführung zurück an den Scheduler

um Prozess später wiederherzustellen, werden im Prinzip einfach alle Prozessor-Register auf die gesicherten Werte zurückgesetzt

Scheduler (Zeitplaner): Komponente des Betriebssystems, die den jeweils nächsten Prozess wählt, der laufen darf

interne Buchführung des Schedulers unterscheidet zwischen lauffähigen und nicht lauffähigen Prozessen

ist ein laufender Prozess nicht mehr lauffähig (weil auf I/O gewartet werden muss), kann er auch selbst einen Interrupt auslösen und wird dann im Scheduler als nicht lauffähig markiert

nächster Prozess wird immer aus der Liste der lauffähigen Prozesse gewählt, nach Kriterien wie Priorität (z.B. Audio-Prozesse)

gibt es keinen lauffähigen Prozess, kann die CPU bis zum nächsten Interrupt angehalten werden

Wie werden Prozesse wieder lauffähig?

Eingabe von der Hardwareseite (z.B. Netzwerk, Festplatte) erzeugt ebenfalls Interrupts, auf die das Betriebssystem reagiert

Eingabe von anderen Prozessen (z.B. via Pipes) landet direkt beim Betriebssystem

Betriebssystem stellt die Daten dem entsprechenden Prozess bereit und markiert diesen wieder als lauffähig

analog bei vollgelaufenen Ausgabepuffern

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By Xyrillian Noises