酒居敬一(sakai.keiichi@kochi-tech.ac.jp) オペレーティングシステムJ/K 2004年10月25日 酒居敬一(sakai.keiichi@kochi-tech.ac.jp) http://www.info.kochi-tech.ac.jp/k1sakai/Lecture/OS2004/

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1 酒居敬一(sakai.keiichi@kochi-tech.ac.jp)
オペレーティングシステムJ/K 2004年10月25日

2 タスクとジョブ タスクはコンピュータからみた仕事の単位 ジョブは人間からみて目的のある一区切りの仕事 シングルタスクOS マルチタスクOS
逐次的なジョブ処理 シングルタスクOSでもマルチタスクOSでも処理できる 並行的なジョブ処理 マルチタスクOSでないと処理できない

3 ジョブ管理とタスク管理の関係 ジョブ実行のスケジューリング タスク実行のスケジューリング 並行的（マルチジョブ） 逐次的（シングルジョブ）
資源の量と全体の処理時間をもとに、優先度をつけて処理 逐次的（シングルジョブ） ただ順番に処理する。スケジューリングの必要がない。 タスク実行のスケジューリング 機械的に処理される。 タスクはOSからみた仕事の単位であるから。 OSが資源の利用状況を見ながら、スケジューリング

4 タスクの存在形態 実行中タスク 実行可能タスク 実行待ちタスク 入出力 仮想記憶処理 登録済タスク 条件待ちタスク 通信 タスク
異常停止タスク 同期 未登録タスク 実行不可能タスク 生成中タスク その他条件 消滅中タスク

5 タスク管理 タスクの管理表TCB(Task Control Block) タスクの状態 コンテキスト 優先順位
実行可、待ち、消滅中、など コンテキスト レジスタ、資源管理表 優先順位 タイムスライス、実行優先度、経過時間、など TCBは線形リストを形成する(図4.12) 線形リストによりキューを実現 線形リストはタスクの状態ごとに存在する

6 タスク構造体 タスクの状態 スケジューリングポリシー 仮想記憶 スレッドの情報 struct task_struct {
volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */ struct thread_info *thread_info; atomic_t usage; unsigned long flags; /* per process flags, defined below */ unsigned long ptrace; int lock_depth; /* Lock depth */ int prio, static_prio; struct list_head run_list; prio_array_t *array; unsigned long sleep_avg; long interactive_credit; unsigned long long timestamp; int activated; unsigned long policy; cpumask_t cpus_allowed; unsigned int time_slice, first_time_slice; struct list_head tasks; struct list_head ptrace_children; struct list_head ptrace_list; struct mm_struct *mm, *active_mm; タスクの状態 スケジューリングポリシー 仮想記憶 スレッドの情報 タスク構造体

7 タスクの詳細な状態 インターバルタイマー 時間 プロセスID /* task state */
struct linux_binfmt *binfmt; int exit_code, exit_signal; int pdeath_signal; /* The signal sent when the parent dies */ unsigned long personality; int did_exec:1; pid_t pid; pid_t __pgrp; /* Accessed via process_group() */ pid_t tty_old_pgrp; pid_t session; pid_t tgid; /* boolean value for session group leader */ int leader; struct task_struct *real_parent; /* real parent process (when being debugged) */ struct task_struct *parent; /* parent process */ struct list_head children; /* list of my children */ struct list_head sibling; /* linkage in my parent's children list*/ struct task_struct *group_leader; /* threadgroup leader */ /* PID/PID hash table linkage. */ struct pid_link pids[PIDTYPE_MAX]; wait_queue_head_t wait_chldexit; /* for wait4() */ struct completion *vfork_done; /* for vfork() */ int __user *set_child_tid; /* CLONE_CHILD_SETTID */ int __user *clear_child_tid; /* CLONE_CHILD_CLEARTID */ unsigned long rt_priority; unsigned long it_real_value, it_prof_value, it_virt_value; unsigned long it_real_incr, it_prof_incr, it_virt_incr; struct timer_list real_timer; struct list_head posix_timers; /* POSIX.1b Interval Timers */ unsigned long utime, stime, cutime, cstime; unsigned long nvcsw, nivcsw, cnvcsw, cnivcsw; /* context switch counts */ u64 start_time; unsigned long min_flt, maj_flt, nswap, cmin_flt, cmaj_flt, cnswap; タスクの詳細な状態 インターバルタイマー 時間 プロセスID

8 タスクの制限 ファイルシステム情報 プロセス間通信 シグナル /* process credentials */
uid_t uid,euid,suid,fsuid; gid_t gid,egid,sgid,fsgid; int ngroups; gid_t groups[NGROUPS]; kernel_cap_t cap_effective, cap_inheritable, cap_permitted; int keep_capabilities:1; struct user_struct *user; /* limits */ struct rlimit rlim[RLIM_NLIMITS]; unsigned short used_math; char comm[16]; /* file system info */ int link_count, total_link_count; struct tty_struct *tty; /* NULL if no tty */ /* ipc stuff */ struct sysv_sem sysvsem; /* CPU-specific state of this task */ struct thread_struct thread; /* filesystem information */ struct fs_struct *fs; /* open file information */ struct files_struct *files; /* namespace */ struct namespace *namespace; /* signal handlers */ struct signal_struct *signal; struct sighand_struct *sighand; sigset_t blocked, real_blocked; struct sigpending pending; unsigned long sas_ss_sp; size_t sas_ss_size; int (*notifier)(void *priv); void *notifier_data; sigset_t *notifier_mask; void *security; タスクの制限 ファイルシステム情報 プロセス間通信 シグナル

9 current というポインタが現在実行中のタスクを指す タスク構造体型のデータはカーネルのメモリ空間に置かれる
/* Thread group tracking */ u32 parent_exec_id; u32 self_exec_id; /* Protection of (de-)allocation: mm, files, fs, tty */ spinlock_t alloc_lock; /* Protection of proc_dentry*/ spinlock_t proc_lock; /* context-switch lock */ spinlock_t switch_lock; /* journalling filesystem info */ void *journal_info; /* VM state */ struct reclaim_state *reclaim_state; struct dentry *proc_dentry; struct backing_dev_info *backing_dev_info; struct io_context *io_context; unsigned long ptrace_message; siginfo_t *last_siginfo; /* For ptrace use. */ }; current というポインタが現在実行中のタスクを指す タスク構造体型のデータはカーネルのメモリ空間に置かれる タスク構造体から指される別の管理表はたくさん存在する

10 例: プロセスの待ち状態 入出力待ちの場合、デバイスのほうにキューを持たせる struct lp_struct {
struct pardevice *dev; unsigned long flags; unsigned int chars; unsigned int time; unsigned int wait; char *lp_buffer; #ifdef LP_STATS unsigned int lastcall; unsigned int runchars; struct lp_stats stats; #endif wait_queue_head_t waitq; unsigned int last_error; struct semaphore port_mutex; wait_queue_head_t dataq; long timeout; unsigned int best_mode; unsigned int current_mode; unsigned long bits; }; struct __wait_queue { unsigned int flags; #define WQ_FLAG_EXCLUSIVE x01 struct task_struct * task; struct list_head task_list; #if WAITQUEUE_DEBUG long __magic; long __waker; #endif }; typedef struct __wait_queue wait_queue_t; struct __wait_queue_head { wq_lock_t lock; long __creator; typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

11 レジスタコンテキスト プロセッサの持つレジスタの内容 汎用レジスタ 浮動小数点数レジスタ プログラムカウンタ、リンクレジスタ
スタックポインタ、フレームポインタ ステータスレジスタ マルチメディア拡張のためのレジスタ

12 タスクの状態 [sakai@star linux]$ ps aux
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND root ? S Sep03 0:04 init [3] root ? S Sep03 0:02 syslogd -m 0 root ? S Sep03 0:00 klogd -x rpc ? S Sep03 0:00 portmap root ? S Sep03 0:00 /usr/sbin/automou named ? S Sep03 0:00 /usr/sbin/named - root ? S Sep03 0:00 xinetd -stayalive ntp ? SL Sep03 0:08 ntpd -U ntp -g lp ? S Sep03 0:13 lpd Waiting root ? S Sep03 0:01 /usr/sbin/dhcpd e root ? S Sep03 0:02 crond xfs ? S Sep03 0:21 xfs -droppriv -da root ? S Sep03 0:00 smbd -D root ? S Sep03 0:14 nmbd -D daemon ? S Sep03 0:00 /usr/sbin/atd root ? S Sep03 0:00 login -- sakai root tty2 S Sep03 0:00 /sbin/mingetty tt sakai tty1 S Sep03 0:00 -bash sakai tty1 S Sep03 0:00 xinit root ? S Sep03 344:10 X -auth /home/sak sakai tty1 S Sep03 0:00 kterm -fn 8x16 -f sakai tty1 S Sep03 1:43 gkrellm -g -0+0 sakai tty1 S Sep03 0:14 twm sakai pts/4 S Sep03 0:00 bash root ? S Sep13 0:00 sendmail: accepti smmsp ? S Sep13 0:00 sendmail: Queue r sakai tty1 S Oct09 0:01 aumix-X11 sakai tty1 R Oct19 1:54 /usr/lib/mozilla- sakai pts/12 R 11:44 0:00 ps aux

13 同じプロセスに属す限り、資源は共有しあう 軽量プロセス＝スレッドという定義もある。
プロセスとスレッド どちらも実行のひとつの単位である そういう意味では「タスク」とひとくくりに扱う。 スレッドはプロセスに属する点が異なる 同じプロセスに属す限り、資源は共有しあう 軽量プロセス＝スレッドという定義もある。 CPUが複数個存在する場合に、同じプロセスの複数のスレッドが実行できる。 高速処理や効率的な処理には良いが… 資源の競合が起きるかもしれない…

14 [大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎]

15 プロセスの関係 [大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎] 生成されたプロセスはすべて同時に動く

16 起動シーケンスの最終段階 static int init(void * unused) { lock_kernel(); /*
* Tell the world that we're going to be the grim * reaper of innocent orphaned children. * * We don't want people to have to make incorrect * assumptions about where in the task array this * can be found. */ child_reaper = current; /* Sets up cpus_possible() */ smp_prepare_cpus(max_cpus); do_pre_smp_initcalls(); smp_init(); do_basic_setup(); prepare_namespace(); * Ok, we have completed the initial bootup, and * we're essentially up and running. Get rid of the * initmem segments and start the user-mode stuff.. free_initmem(); unlock_kernel(); system_running = 1; if (open("/dev/console", O_RDWR, 0) < 0) printk("Warning: unable to open an initial console.\n"); (void) dup(0); 起動シーケンスの最終段階 /* * We try each of these until one succeeds. * * The Bourne shell can be used instead of init if we are * trying to recover a really broken machine. */ if (execute_command) run_init_process(execute_command); run_init_process("/sbin/init"); run_init_process("/etc/init"); run_init_process("/bin/init"); run_init_process("/bin/sh"); panic("No init found. Try passing init= option to kernel."); }

17 プロセスに対して行われる各種の基本操作 生成(spawn)や複製(fork) 消滅 シグナル送信 同期 タスク管理領域を生成するか複製するか
タスク管理領域を親のタスクが消す 消えるまでの間が消滅中状態(ゾンビ) シグナル送信 終了 停止 同期

18 プロセスに対する操作（forkによる生成）
[大久保英嗣, オペレーティングシステムの基礎]