İşletim Sistemleri Dr. Binnur Kurt binnur.kurt@gmail.com Omega Eğitim ve Danışmanlık http://www.omegaegitim.com 1 S a y f a
İÇİNDEKİLER 1. İşletim Sistemi 2. Kabuk 3. Prosesler 4. İplikler 5. İplikler Arası Eş Zamanlama 6. Prosesler Arası İletişim 7. 8. Prosesler Arası Eş zamanlama 9. Bellek Yönetimi 10. Dosya Sistemi 11. Soket Haberleşme 2 S a y f a
BÖLÜM 7 Bölümün Amacı Bölüm sonunda aşağıdaki konular öğrenilmiş olacaktır: Proseslerin bulunduğu durumlar İş sıralama algoritmaları 3 S a y f a
7.1 Giriş İşletim sisteminde çalışan uygulamaları proses olarak adlandırıyoruz. Bir işletim sisteminde, işlemcileri kullanmak için bekleyen çok sayıda proses bulunur. İşletim sisteminin görevlerinden biri de işlemciyi, onu kullanmak için bekleyen bu çok sayıda proses arasında zamanda paylaştırmaktır. Bu tür işletim sistemleri zaman paylaşımlı olarak adlandırılır. İşletim sistemi içinde, işlemciyi bir sonra kullanacak olan prosesi seçmekle görevli bir proses yer alır: iş sıralayıcı (=scheduler). İş sıralayıcının başarımı, uygulamaların birim zamanda iş çıkarma ve kullanıcılar tarafından algılanan yanıt süresi başarımlarında belirleyici olacaktır. Bu nedenle işletim sistemi tasarımında, etkin ve verimli bir iş sıralama algoritması geliştirmek son derece önemlidir. İş sıralama algoritması, prosesleri sistemin hedeflerine uygun olarak işlemciye yerleştirmekten sorumludur. Bu hedefler işlemcinin doluluk oranı (verim), cevap süresi, birim zamanda çıkarılan iş (debi) olabilir. Cevap süresi, bir web uygulaması için http isteği için ne kadar sürede http yanıtın dönüldüğü olabilir. Debi, bir veritabanı yönetim sistemi için bir saniyede işlenen SQL hareket (=transaction) sayısı olabilir. İş sıralama açısından, proseslerin çalışma zamanındaki davranışlarını iki farklı kip ile modellenebilinir : i. Merkezi İşlem Birimini (MİB) yoğun olarak kullanan prosesler ii. Yoğun Giriş/Çıkış işleminde bulunan prosesler Genel olarak, bir prosesin çalışma zamanındaki davranışı bu iki kip arasında gidip gelecektir. Bu durum Şekil-7.1 de gösterilmiştir. Şekil-7.1 de, Proses A, vaktinin tamamında işlemciyi kullanırken, Proses H, vaktinin tamamında Giriş/Çıkış (G/Ç) işlemi yapmaktadır. G/Ç işlemi dosyaya ya da bilgisayar ağına erişimden kaynaklanmış bulunabilir. Proses A, işlemciyi yoğun olarak kullandığından, işlemciye bağımlı proses olarak adlandırılır. Proses H ise G/Ç sistemini yoğun olarak kullandığı için G/Ç bağımlı proses olarak adlandırılır. Şekil-7.1 deki diğer prosesler ise çalışma zamanlarının farklı bölümlerinde hem işlemciyi hem de G/Ç sistemini kullandıklarını görüyoruz. Bazı problemlerin çözümü yoğun olarak işlemciyi kullanmayı gerektirir. Örneğin bilimsel hesaplama gerektiren bir problemin çözümünü yapan proses işlemci bağımlı olarak çalışır. Web sunucusu (örneğin, Apache web sunucusu, httpd) ise ağırlıklı olarak G/Ç sistemini (hem dosya sistemini hem de bilgisayar ağını) yoğun olarak kullanır. Bu nedenle G/Ç bağımlı bir prosestir. Proses A Proses B Proses C Proses D Proses E Proses F Proses G Proses H Prosesin işlemciyi kullandığı dönem Prosesin Giriş/Çıkış yaptığı dönem Şekil-7.1 Proseslerin çalışma zamanındaki işlemciyi ve G/Ç sistemini kullanım davranışı 4 S a y f a
Günümüzde işlemci başarımları, dosya sistemlerinin ve bilgisayar ağlarının başarımına göre daha hızlı artmaktadır. Bu nedenle MİB bağımlı çalışan prosesler bu iyileşmeden daha fazla yararlanırlar. Üstelik son dönemde, çok çekirdekli sistemler sayesinde, eğer prosesler çok çekirdekli sistemlerin bilgi işleme yeteneklerinden yararlanacak şekilde tasarlanmışlar ise bu hızlanmanın işlemci bağımlı prosesler yönünde daha da açıldığı söylenebilir. Bu açıdan bakıldığında, iş sıralayıcının çok çekirdekli sistemlerde işlemci bağımlı prosesleri, işlemcileri dolu tutacak şekilde sıralamalıdır. İş sıralayıcı, G/Ç bağımlı prosesleri eğer G/Ç işlemleri disk üzerinde gerçekleşiyorsa, diski sürekli meşgul tutacak şekilde sıralamalıdır. Eğer G/Ç işlemleri bilgisayar ağı üzerinde gerçekleşiyorsa, bant genişliğinin tamamını kullanacak şekilde sıralamalıdır. 7.2 Türleri Farklı işletim sistemi türleri olduğunu daha önce çalışmıştık. İş sıralama açısından bilgisayar sistemlerini üç farklı gruba ayırabiliriz: 1. Toplu işlem bilgisayar sistemleri: Bu tür bilgisayar sistemlerinde çalıştırılan işler sisteme yığın ve dönemsel olarak sunulur. Yığın işlemler, kullanıcı etkileşimine kapalı ve sonlanana kadar çalışan görevlerden oluşur. Bu görevler sisteme belirli bir kuyruk üzerinden sokulur (Şekil-7.2). Toplu işlem bilgisayar sistemleri, altmışlı yıllarda, bilgisayar sistemlerinin ilk çıktığı dönemlerde kullanılan, ama günümüzde kullanmayan bilgisayar sistemlerdir. 2. Etkileşimli bilgisayar sistemleri: Kullanıcıların, iş adımlarını teker teker tanımlayabildikleri, iş akışını izleyebildikleri ve değiştirebildikleri, çok kullanıcılı, kullanıcıların sisteme uzaktan terminaller aracılığı ile bağlanabildiği, sistemin kullanıcılara sanki sistemin sadece o kullanıcıya özel çalışıyormuş deneyimini yaşatan sistemlerdir. Bunun için başta işlemci olmak üzere sistem kaynaklarını zamanda kullanıcılar ve prosesleri arasında paylaştırır. 3. Gerçek-zaman bilgisayar sistemleri: İşlerin tamamlanması için zaman kısıtlarının olduğu, sistemin yanıt süresi süresinin belirli değerler arasında olmasının istendiği kritik sistemlerdir. Günümüzde kritik endüstriyel üretimde süreç kontrolünde, bir gemi ya da uçağın seyir sistemlerinde ve savunma sistemlerinde gerçek-zamanlı bilgisayar sistemleri kullanılmaktadır. İş sıralama algoritmalarını dört farklı gruba ayırmak mümkündür: 1. Uzun vadeli iş sıralama 2. Orta vadeli iş sıralama 3. Kısa vadeli iş sıralama 4. G/Ç sıralama Şimdi sırayla bu iş sıralama türlerinin inceleyeceğiz. 5 S a y f a
Şekil-7.2 İş sıralama türleri ve kuyruklar 7.2.1 Uzun Vadeli Uzun Vadeli ile toplu işlem bilgisayar sistemlerinde karşılaşıyoruz. Uzun Vadeli İş Sıralama, yeni gelen işleri hazır kuyruğuna ekleme kararı ile ilgilidir (Şekil-7.3). Çoklu programlamanın düzeyini belirler. Sisteme giren yeni işler eklenirken verilmesi gereken iki karar bulunur: 1. Sisteme yeni proses eklenebilir mi? (Şekil-7.2 B) Proses sayısı arttıkça her çalışmada proses başına düşen işlemci zamanı azalır. Bu nedenle proses başına düşen işlemci zamanı belirli bir eşiğin altına düştüğünde hazır kuyruğundaki proses sayısı sınırlanabilir, yeni proseslerin eklenmesi sınırlandırılabilir. 2. Hangi yeni iş istekleri kabul edilmelidir? (Şekil-7.2 A) Geliş sırasına göre seçilebilir ya da öncelik, beklenen toplam çalışma süresi gibi belirli bir kritere göre seçilebilir. Şekil-7.3 Uzun Vadeli 6 S a y f a
7.2.2 Orta Vadeli Proseslerin çalışabilmesi için belleğe ve işlemci zamanına ihtiyaç duyulur. Çalışan bir görevin sonlanması sonucu ana bellekte yer açılması, hazır işlemler kuyruğunda bekleyen işlem sayısının belirli bir eşiğin altına düşmesi gibi durumlarında bellek bekleyen işlemler kuyruğundan belirli kriterlere göre seçilen işlemler hazır işlemler kuyruğuna alınır (Şekil-7.4). 7.2.3 Kısa Vadeli Şekil-7.4 Orta Vadeli Koşabilir durumdaki proseslerden hangisinin seçileceği kısa vadeli iş sıralamada karar verilir (Şekil-7.5). Kısa vadeli İş sıralayıcıya aşağıdaki durumlarda baş vurulur: i. İşlemciyi kullanmakta olan proses sona erdiğinde, işlemciyi bir sonra kullanacak prosesin seçilmesi gerekir ii. İşlemciyi kullanmakta olan proses G/Ç için beklemesi gerektirecek bir işlem yürütmesi durumunda işlemciyi terk etmesi ve işlemciyi bir sonra kullanacak iii. prosesin seçilmesi gerekir İşlemciyi kullanmakta olan proses, başka bir proses tarafından alınmış bir kaynağa (semafor) erişmeye çalıştığında, kaynak bırakılıncaya kadar işlemciyi terk etmesi ve işlemciyi bir sonra kullanacak prosesin seçilmesi gerekir Prosesler eğer kesintili olarak çalışıyorsa, prosesler işlemciyi kuantum süresince kullanırlar, bu süre dolduğunda ise gönüllü olarak işlemciyi terk ederler. Bu durumda işlemciyi bir sonra kullanacak prosesin seçilmesi gerekir. 7.2.4 G/Ç Sıralama G/Ç bekleyen hangi prosesin isteğinin karşılanacağı kararının verilmesidir. 7 S a y f a
7.3 Kısa Vadeli Algoritmaları 7.3.1 Geliş Sırasına Göre Seçim Şekil-7.5 Kısa Vadeli Her proses Hazır kuyruğuna girer. Çalışmakta olan prosesin çalışması durunca hazır kuyruğundaki en eski proses seçilir. Bu davranış uzun süre çalışacak prosesler için debiyi artıracaktır. Kısa süre çalışacak prosesler çalışmaya başlamadan önce çok bekleyebilir. G/Ç yoğun prosesler için uygun değildir. G/Ç birimleri uygun olsa da işlemciyi kullanan prosesleri beklemek zorunda olduklarından kaynakların verimsiz kullanımına neden olur. Tablo-7.1 de 5 adet prosesin varış zamanı ve servis süresi verilmiştir. Bu 5 proses için Geliş Sırasına Göre Seçim için proseslerin zamanda işlemciyi hangi aralıklarla kullanıldığı Şekil-7.6 da verilmiştir. Tablo-7.1 Örnek prosesler ve servis süresi ve varış zamanı Proses Varış Zamanı Servis Süresi A 0 3 B 2 6 C 4 4 D 6 5 E 8 2 8 S a y f a
Şekil-7.6 Geliş sırasına göre seçimde proseslerin çalışma sıraları Şekil-7.6 Geliş Sırasına Göre seçimde proseslerin kesilme ve çalışma sıraları 7.3.2 Taramalı Seçim İşlemcinin zamanda paylaşıldığı sistemlerde, işlemciyi ele geçiren her proses işlemciyi kuantum (q) süresince kullanır. Süre sonunda proses işlemciyi terk eder ve kuyrukta sıradaki proses işlemciyi kullanmaya başlar. İşlemci prosesler arasında el değiştirirken bağlam anahtarlama olarak adlandırılan bir işlem gerçekleşir. Bağlama anahtarlamanın amacı, işlemciyi terk eden prosesin bilgileri, sıra tekrar bu prosese geldiğinde çalışmaya kaldığı yerden devam edebilmesi için işlemci içindeki bağlam bilgisi (saklayıcılar, program sayacı, yığın göstergesi gibi) belleğe kopyalanır. Bu işlemin bir maliyeti vardır. Kuantum süresinin seçimi önemlidir. Kuantum süresi küçük seçilirse, kısa prosesler hızla tamamlanır. Buna karşılık bağlamak anahtarlama maliyeti sistem için yük oluşturur. Sistem debisi düşer. Kuantum süresi büyük seçilirse, tamamlanmak için uzun süreye ihtiyaç duyan prosesler hızla tamamlanır. Buna karşılık proseslerin etkileşim süresi uzayacaktır. Bu durum masaüstü uygulamaları, web uygulamaları gibi yanıt süresinin önemli olduğu uygulamalar için tepki süresinin uzaması anlamına gelir. Şekil-7.7 (a) da q=1, (b) de q=4 için taramalı çalışmadaki proseslerin işlemci kullanma zamanlaması verilmiştir. (a) q=1 (b) q=4 Şekil-7.7 Taramalı seçimde farklı kuantum süreleri için proseslerin kesilme ve çalışma sıraları 9 S a y f a
7.3.3 En Kısa İş Önce Bu yaklaşımda prosesler kesilmeden çalışırlar. Servis süresi en kısa olacağı bilinen ya da kestirilen proses seçilir. Kestirimden çok daha uzun süren prosesler sonlandırılabilir. Kısa süreli prosesler önce çalışır. Uzun süreli prosesler için açlık durumu oluşabilir. Açlık durumu, prosesin işlemciye, genel olarak kaynağı elde edememesi problemi olarak tanımlanır. Şekil- 7.8 de En Kısa İş Önce algoritması için proseslerin işlemci kullanma zamanlaması verilmiştir. Şekil-7.8 En Kısa İş Önce algoritmasına göre seçimde proseslerin kesilme ve çalışma sıraları 7.3.4 En Az Süresi Kalan Önce En kısa iş önce yönteminin proseslerin kesilmesine izin veren hali olarak düşünülebilir. İşleme zamanı önceden kestirilmelidir. Ayrıca proseslerin kalan süreleri tutulması gerekir. Şekil- 7.9 da En Kısa Süresi Kalan Önce algoritması için proseslerin işlemci kullanma zamanlaması verilmiştir. Şekil-7.9 En Az Süresi Kalan Önce algoritmasına göre seçimde proseslerin kesilme ve çalışma sıraları 7.3.5 Geri Beslemeli Proseslerin toplam çalışma süreleri ile ilgili bilgi gerektirmez. Bu yöntem, prosesin daha ne kadar çalışma süresi kaldığı ile ilgilenmez. Daha uzun süredir koşan prosesleri cezalandır. İş sıralama zaman dilimi ve dinamik önceliklere göre yapılır. Kesilen proses, bir düşük öncelik kuyruğuna geçer. Yeni ve kısa iler daha çabuk sonlanır. Öncelik kuyrukları içinde geliş sırası göz önüne alınır. En düşük öncelikli kuyruktan daha alta inmek mümkün değildir. Kuyruklarda taramalı yöntem kullanılır. Şekil-7.10 (a) da q=1, (b) de q=4 için geri beslemeli çalışmada proseslerin işlemci kullanma zamanlaması verilmiştir. 10 S a y f a
(a) q=1 (b) q=4 Şekil-7.10 Geri Beslemeli seçimde farklı kuantum süreleri için proseslerin kesilme ve çalışma sıraları 11 S a y f a