Processi e Thread

È importante sottolineare che processo e programma non sono la stessa cosa. Ad esempio, un programma di video-scrittura con due finestre (file) corrisponde a due processi diversi (uno per ogni finestra). In questa situazione il programma è sempre lo stesso (es. Word), ma due processi diversi sono in esecuzione. Semplificando un po’, il programma è l’insieme di istruzioni e dati memorizzati sul file eseguibile (es. Word.exe), mentre il processo è tutto ciò che serve affinché il programma sia eseguito. Aiuta pensare ad un programma come qualcosa che non cambia (a meno che non si installi una nuova versione), mentre ad un processo come qualcosa che cambia nel tempo. Per esempio lo stesso programma di video-scrittura può essere aperto una volta con il file pippo.docx e la volta dopo con il file pluto.docx, i due processi corrispondenti saranno diversi (ma il programma sarà lo stesso).

I thread sono simili ai processi nel senso che sono unità di esecuzione e hanno bisogno che la CPU gli venga allocata (messa a disposizione) dal sistema operativo. Tuttavia, i thread sono più “snelli” da gestire perché il sistema operativo non tiene tutta l’informazione che tiene per i processi (es. file aperti, pagine di memoria, …). Per questo motivo i thread si possono considerare processi leggeri.

Inoltre i thread possono essere usati dai programmatori per gestire quelle situazione in cui il programma può continuare l’esecuzione anche se si è in attesa di input. Ad esempio, in un videogame, il personaggio controllato dal giocatore si muove a seguito dell’input (da controller o tastiera + mouse). Se il giocatore non fornisce alcun comando il personaggio rimane fermo, ma il resto dello scenario viene comunque aggiornato. Un programmatore può usare un thread per fare il rendering del personaggi controllato e uno o più thread per tutti gli altri.

Vedere processi e thread nei sistemi operativi

Tutti i sistemi operativi mettono a disposizione dei programmi di utilità che permettono di controllare quali processi sono in esecuzione. In Windows questo programma viene chiamato task manager, in Mac Os si usa un programma chiamato activity monitor (nella versione in inglese). Un modo per vedere i processi in esecuzione su un sistema Linux è attraverso il comando ps -el della console comandi (bash).

Il programma activity monitor di Mac OS mostra tutti i processi attualmente gestiti dal sistema operativo (qui ne sono mostrati solo alcuni). Oltre al nome del processo (spesso il programma) si vede anche il numero di thread (quarta colonna) e il PID (Process ID, penultima colonna) che lo identifica univocamente.

Descrizione di un processo

Come detto sopra, il processo è l’unità fondamentale gestita dal sistema operativo. Per capire meglio come il sistema operativo gestisca i processi dobbiamo vedere più in dettaglio come è fatto un processo e cosa il sistema operativo memorizza e gestisce. Per meglio capire i processi, qui sotto ci occuperemo di

• spazio di memoria associata al processo,
• stato di un processo e
• process control block. Per concludere la prima parte della discussione, parleremo di context switch.

Lo spazio di memoria di un processo

Abbiamo già detto che un processo è un programma in esecuzione, tutti programmi hanno bisogno di uno spazio di memoria RAM dove vengono mantenute le istruzioni ed i dati. Come tutte le risorse hardware, anche la memoria è gestita dal sistema operativo che decide come allocarla ai vari processi. Quando un nuovo processo viene, una zona di memoria gli viene assegnata dal sistema operativa. In questa zona di memoria si trovano:

• il codice del programma e
• dati e le variabili e variabili del programma

Nella figura a sinistra vediamo come viene organizzato lo spazio di memoria di un processo. Dal basso verso l’alto incontriamo le seguenti zone di memoria

• Text che contiene il codice macchine del programma che si sta eseguendo.
• Data che contiene le variabili globali o variabili statiche del programma
• Heap che contiene la memoria dinamica (creata con new in Java e C++ o con malloc in C)
• Stack che contiene le variabili locali (ad esempio le variabili non statiche dichiarate dentro un metodo).

Per meglio gestire la memoria, il sistema operativo fornisce ai processi uno spazio fisso (ad esempio 4KB) di memoria. Se il processo ne usa di meno, allora lo spazio tra heap e stack non sarà completamente utilizzato. Infatti si nota che stack e heap (che cambiano mentre il programma viene eseguito) occupano lo spazio libero (zona azzurra nella figura) andando uno verso l’altro (come indicato dalle frecce nere).

Se il processo ha bisogno di più spazio di quanto allocato, lo chiede al sistema operativo il quale alloca dell’ulteriore memoria al processo (se ne ha a disposizione). Il meccanismo utilizzato dal sistema operativo per assegnare memoria ai processi si chiama paginazione della memoria.

Approfondimenti sullo spazio di memoria

• Dove finiscono le variabili Java?
• Cosa succede quando un processo chiede “troppa” memoria?

Lo stato di un processo

Un processo in esecuzione può sospendersi in attesa di un evento che gli permetta di procedere. Ad esempio un programma di video-scrittura sarà sempre in attesa di un nuovo tasto digitato dalla tastiera. Dal momento che il sistema operativo deve garantire un po’ di tempo processore a tutti i processi attivi su un computer, è possibile usare i tempi di attesa di un processo per far proseguire un altro processo che era in attesa del processore. Il sistema operativo può sospender un processo anche se questo non è in attesa. In questo modo si può dare la CPU ad altri processi che altrimenti rimarrebbero troppo a lungo sospesi. Si dice in questo caso che il sistema operativo fa preempting (pre-rilascio) della CPU. Le regole secondo cui il sistema operativo decide come gestire la CPU vanno sotto il nome di scheduling della CPU.

Da quanto detto sopra si vede che un processo può trovarsi in diversi stati ed è quindi necessario che il sistema operativo tenga traccia dello stato di ognuno dei processi. Inoltre, il sistema operativo si deve preoccupare di spostare un processo da uno stato ad un altro quando opportuno.

Nell’immagine a sinistra vediamo i 5 stati in cui un processo si può trovare.

• New: il processo è stato creato, ma ancora non è stato inserito tra i processi che sono pronti per l’esecuzione.
• Ready: il processo è sospeso, ma può eseguire istruzioni non appena verrà messo in esecuzione
• Running: il processo sta eseguendo su un qualche core del processore
• Waiting: il processo è sospeso e sta aspettando un evento esterno e quindi non è pronto per essere immediatamente eseguito (si noti che manca la freccia da waiting a running).

IL Process Control Block (PCB)

Il sistema operativo deve tenere traccia di tutte le informazioni relative ad un processo. Tali informazioni sono raccolte nel Process Control Block (PCB). Cosa viene tenuto nel PCB dipende dal sistema operativo, ma alcune informazioni sono sempre presenti.

• Process number o process identifier (PID)
• Process state
• Program counter
• Registri della CPU
• Informazioni sulla memoria del processo
• Lista dei file aperti dal processo
• Qualsiasi informazioni necessaria a gestire il processo

Context switch

Un sistema operativo che fa un buon lavoro di gestione dei processi, fa si che un processo non accorga che è stato spostato da un core, messo in waiting per un po’ e poi rimesso in esecuzione. Per faro questo, è necessario che il processo riportato su un core dopo che è stato messo in waiting ritrovi “tutto come era”. Questo significa che il sistema operativo deve tenere traccia nel PCB di tutti i registri della CPU in modo da poterli ripristinare quando necessario. Questi registri rappresentano il contesto del processo (context) e l’operazione di scambio dei contesti di due processi viene detta context switch (cambio di contesto).

Si noti come il PCB contiene tutte le informazioni del contesto di un processo ed è quindi usato dal sistema operativo nelle operazioni di context switch. È importante sottolineare che il context switch è un’operazione che richiede molto tempo ed è quindi una cosa da evitare quanto più possibile. Tuttavia in un sistema con tanti processi e “pochi” core, sarà necessario fare context switch molto di frequente.