ใบงานที่2การจัดการโปรเซส  Process Management

จัดทำโดยนายอนุชิต หุ่นนอนไพร รหัสนักศึกษา 6031280067

การจัดการโปรเซส  Process Management

การศึกษาเรื่องโปรเซส เป็นหัวใจของการทำความเข้าใจของระบบคอมพิวเตอร์ที่มีผู้ใช้หลายคน ( multiuser computer system ) คำว่าโปรเซสถูกใช้ครั้งแรกโดยผู้ออกแบบระบบมัลติกส์ ( multics ) ในทศวรรษ 1690 มีการให้ความหมายของคำว่า "โปรเซส" ไว้หลายความหมายเช่น - โปรแกรมที่กำลังถูกเอ็กซีคิ้ว - กิจกรรมที่มีการทำงานสัมพันธ์กัน - สิ่งที่ถูกมอบหมายไปให้โปรเซสเซอร์ได้ - หน่วยซึ่งถูกส่งต่อได้ ( dispatchable ) ยังไม่มีความหมายใดที่เป็นที่ยอมรับกันทุกคน แต่ความหมายที่ว่า โปรเซส คือ "โปรแกรมที่กำลังถูกเอ็กซีคิ้ว" นั้นถูกใช้บ่อยมากที่สุด ดังนั้นจึงเอาความหมายนี้เป็นความหมายของคำว่า โปรเซส เราอาจเปรียบเทียบโปรแกรมเหมือนกับรถยนต์ที่จอดนิ่งอยู่ที่พร้อมที่จะวิ่งไป ในระบบหลายโปรแกรม ( multiprogramming ) โปรเซสอาจเปรียบกับรถยนต์ที่วิ่งออกจากจุดเริ่มต้น ถ้ามีหลายโปรเซสอยู่ในระบบก็เหมือนกับการที่เรามีรถหลายคันที่จะต้องออกวิ่งไปพร้อม ๆ กัน ตัวซีพียูเปรียบได้กับคนขับรถ ถ้าซีพียูมีตัวเดียวก็เหมือนกับคนขับรถมีเพียงคนเดียว ดังนั้นเมื่อรถหลายคันออกวิ่งการที่คนขับคนเดียวจะพารถหลายๆ คันวิ่งไปต้องขับรถทีละคันให้วิ่งเดินหน้าไปทีละนิด เวียนเปลี่ยนไปจนครบทุกคัน จนถึงจุดหมายปลายทาง ( โปรแกรมสิ้นสุดลง ) นั้นคือเราสามารถมีโปรเซสหลายๆ โปรเซสทำงานไปพร้อมๆ กันได้โดยมีซีพียูเพียงตัวเดียว 1 องค์ประกอบของโปรเซส 1. หมายเลขโปรเซส (Process id) 2. โค้ดโปรแกรม (Program code) 3. ข้อมูล (Data) 4. บล็อกควบคุมโปรเซส (Process control block) 4.1 พอยเตอร์ (Pointer) 4.2 สถานะของโปรเซส (Process state) 4.3 หมายเลขโปรเซส (Program id) 4.4 ตัวนับจำนวน (Program counter) 4.5 รีจิสเตอร์ (Register) 4.6 ข้อมูลการจัดเวลาของซีพียู (CPU scheduling information) 4.7 ข้อมูลการจัดการหน่วยความจำ (Memory management information) 4.8 ข้อมูลแอ็กเคาต์ (Account information) 4.9 ข้อมูลสถานะอินพุต/เอาต์พุต (I/O status information) pointer process state process id process counter registers list of open files ::: ::: 5. PSW (Program status word) 6. คุณสมบัติของโปรเซส (Properties of process) 6.1 ลำดับความสำคัญของโปรเซส (Priority) 6.2 อำนาจหน้าที่ของโปรเซส (Authority) 6.3 คุณสมบัติอื่นที่ระบบปฏิบัติการกำหนดให้มี 2 สถานะของโปรเซส สถานะของโปรเซสแบ่งได้ 6 สถานะ 1. สถานะเริ่มต้น (New : The process is being created.) 2. สถานะพร้อม (Ready : The process is waiting to be assigned to a processor.) 3. สถานะรัน (Running : Instructions are being executed.) 4. สถานะรอ (Wait : The process is waiting for some event to occur.) 5. สถานะบล็อก (Block : The process is blocked for some event to occur.) 6. สถานะสิ้นสุด (Terminate : The process has finished execution.) สถานะของโปรเซสแบ่งได้อีกแบบมี 4 สถานะ 1. สถานะพร้อม (ready state) คือสถานะที่โปรเซสพร้อมที่จะใช้ซีพียูทันทีที่ระบบปฏิบัติการมอบหมายให้ ในสถานะนี้ไม่มีการรันของโปรเซส 2. สถานะรัน (running state) คือสถานะที่โปรเซสกำลังครอบครองซีพียูอยู่ มีการรันของโปรเซสจริงๆ เพราะโปรเซสใช้ซีพียูเอ็กซีคิ้วคำสั่ง หรือโค้ดโปรแกรมของโปรเซสนั้น 3. สถานะติดขัด (blocked state) คือสถานะที่โปรเซสหยุดรอเหตุการณ์ใดเหตุการณ์หนึ่งให้เกิดขึ้น โปรเซสไม่จำเป็นต้องใช้ซีพียูและยังไม่พร้อมที่จะครอบครองซีพียู ซึ่งจะทำให้โปรเซสอื่นเข้ามาครอบครองซีพียูในช่วงนี้ได้ 4. สถานะพัก (suspend state) คือสถานะที่โปรเซสไม่มีการทำงานใดๆ หยุดนิ่งอย่างสมบูรณ์ ไม่มีการรอการใช้ซีพียูหรือเหตุการณ์ใดๆ ให้เกิดขึ้น   3 การจัดเวลาโปรเซส ระบบมัลติโปรแกรมมิ่ง คือ การจัดให้ process สามารถเข้าประมวลผลได้ตลอดเวลา ระบบแบ่งเวลา คือ การสลับ process เข้าใช้ CPU บ่อย เท่าที่ผู้ใช้รู้สึกว่าทุก process ตอบสนองได้ตลอดเวลา 1. Device queue คือ การจัดคิวของโปรเซสต่าง ๆ เช่น คิวของ I/O คิวของการรอ child process หรือคิวของอินเทอร์รัพต์ เป็นต้น เมื่อกระบวนการเข้าไปในระบบ จะถูกส่งเข้า job queue ซึ่ง queue จะรวบรวม process ทั้งหมดในระบบ และมีคำหลาย ๆ คำเกี่ยวกับการเข้าคิว เช่น ready, blocked และ running แต่ถ้า process รอเข้า I/O devices จะเรียกว่า device queue ซึ่งทุกอุปกรณ์จะมี device queue ของตนเอง processes จะย้ายไปมาระหว่าง queue ต่าง ๆ โดยระบบปฏิบัติการมีหน้าที่เลือกตามวัตถุประสงค์ และความเหมาะสม ซึ่งถูกจัดการโดย scheduler สำหรับแต่ละ Device queue ต่างก็มี scheduler ของตนเอง และมี scheduler ส่วนกลาง ควบคุมการทำงานของ process ทั้งหมดอีกครั้งหนึ่ง 2. Contect switch คือ การทำงานที่ขึ้นกับความสามารถของฮาร์ดแวร์ เป็นการเลื่อน process ไปยังคิวต่อไป ในกรณีที่มีจำนวนโปรเซสมากกว่าชุดของรีจิสเตอร์ที่มีอยู่ ระบบจะคัดลอกโปรเซสส่วนเกินไปเป็นอีกชุดหนึ่ง เพื่อให้โปรเซสที่จำเป็นต้องเข้ามาได้ใช้รีจิสเตอร์ปัจจุบันได้ สำหรับรายละเอียดการจัดการโปรเซสขึ้นกับความสามารถของ OS เป็นเทคนิคที่หลีกเลี่ยงปัญหาคอขวดของระบบ หลังประมวลผล Process หนึ่งเรียบร้อย ต้องย้ายไปยัง Process ใหม่ หรือ การย้ายจากหน่วยประมวลผลไปยังอีกกระบวนการหนึ่ง ต้องการ saving the stat of the old process and loading the saved state for the new process ซึ่งงานนี้ถูกเรียกว่า context switch สำหรับคำว่า context of process อาจแทนด้วย PCB of a process Mutual exclusion คือ การกีดกั้น ในบริเวณ หรือส่วนของโปรแกรมที่ process เข้าครอบครองรีซอร์ส ซึ่งเรียกว่า Critical region ซึ่งการกีดกั้นก็คือการไม่ยอมให้ process ใด ๆ เข้าใช้พื้นที่ ๆ เป็น Critical region ซึ่งมีคุณสมบัติอยู่ 4 ประการ คุณสมบัติของ mutual exclusion ไม่มี process อยู่ใน critical region พร้อมกัน ไม่มีสมมติฐาน และข้อจำกัด ด้านความเร็ว หรือจำนวนซีพียูมาเป็นปัจจัย ไม่มี process นอก critical region ที่ block การทำงานของ process อื่น ไม่มี process ที่รอเข้าใจ critical region ตลอดเวลา การแก้ปัญหา Mutual exclusion with busy waiting Disable interrupt Lock variable Strict alternation Peterson's solution TSL instruction 4 การปฏิบัติการบนโปรเซส ขณะคอมพิวเตอร์ทำงานต้องการสร้าง และลบ process ตลอดเวลา จึงต้องมีการควบคุมให้ระบบคงสภาพอยู่ตลอดเวลา โปรเซสแม่ (Parent process) และโปรเซสลูก (Children process) ต้องถูกสร้าง และหยุดทำงานได้อย่างสอดคล้อง เพื่อให้เข้าใจเรื่องของ process จึงขอแสดง tree of process on a typical UNIX system ประกอบการอธิบาย 1. การสร้างโปรเซส (Process creation) ถ้า process สร้าง process ขึ้นใหม่ เมื่อพิจารณาการ execute 1. โปรเซสแม่ยังประมวลผลต่อไป พร้อมโปรเซสลูก (The parent continues to execute concurrently with its children.) 2. โปรเซสแม่ต้องรอให้โปรเซสลูกบางตัว หรือโปรเซสลูกทั้งหมดสิ้งสุด จึงจะเริ่มประมวลผลได้ใหม่ (The parent waits until some or all of its children have terminated.) ถ้า process สร้าง process ขึ้นใหม่ เมื่อพิจารณา address ของโปรเซสใหม่ 1. โปรเซสลูกเป็นสำเนาของโปรเซสแม่ คือใช้ address เดียวกับแม่ (The child process is a duplicate of the parent process.) 2. โปรเซสลูกมีตำแหน่งของ load address ของตนเอง (The child process has a program loaded into it.) 2. การสิ้นสุดของโปรเซส (Process termination) 3 เหตุผลที่ โปรเซสแม่จะหยุดการประมวลผลของโปรเซสลูก 1. โปรเซสลูกใช้ resource มากกว่าที่กำหนดไว้ 2. ไม่มีความจำเป็นต้องใช้โปรเซสนั้นอีกแล้ว 3. โปรเซสแม่สิ้นสุด และ OS ไม่ยอมให้โปรเซสลูกทำงานต่อไป ตัวอย่าง process ที่ประมวลผลใน Linux [root@yn1 root]# ps -aux USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND root 1 0.0 0.0 1376 84 ? S Oct08 0:12 init root 1482 0.0 0.0 1440 156 ? S Oct08 0:32 syslogd -m 0 root 1486 0.0 0.0 1368 4 ? S Oct08 0:00 klogd -x rpc 1504 0.0 0.0 1540 0 ? SW Oct08 0:00 [portmap] rpcuser 1523 0.0 0.0 1680 0 ? SW Oct08 0:00 [rpc.statd] named 1620 0.0 1.9 41836 5040 ? S Oct08 6:16 [named] root 1635 0.0 0.1 3508 300 ? S Oct08 0:05 /usr/sbin/sshd root 1649 0.0 0.1 2024 368 ? S Oct08 0:02 xinetd -stayalive root 1659 0.0 0.0 1596 88 ? S Oct08 0:00 /usr/sbin/vsftpd root 1680 0.0 0.2 5920 548 ? S Oct08 0:52 [sendmail] smmsp 1689 0.0 0.1 5716 316 ? S Oct08 0:00 [sendmail] apache 9825 99.9 0.0 0 0 ? RW Oct08 15286:48 [httpd] root 10719 0.0 0.0 17200 96 ? S Oct18 0:02 /usr/sbin/httpd apache 15017 0.0 3.0 22708 7860 ? S Oct18 0:07 [httpd] apache 15018 0.0 2.8 23940 7312 ? S Oct18 0:06 [httpd] apache 18350 0.0 3.3 27072 8604 ? S 08:23 0:06 [httpd] root 22018 0.0 0.8 6268 2108 ? S 13:16 0:00 [sendmail] 5 โปรเซสสื่อประสาน (Cooperating process) โปรเซสที่ประมวลผลในระบบอาจเป็นได้มีได้ 2 แบบคือโปรเซสอิสระ (Independent process) ซึ่งทำงานโดยไม่มีผลกระทบ หรือได้รับผลกระทบจากโปรเซสอื่น เป็นอิสระที่ไม่มีการแบ่งปันทรัพยากรร่วมกับใคร ส่วนโปรเซสสื่อประสาน (Cooperating process) อาจได้รับผลกระทบ หรือส่งผลกระทบต่อโปรเซสอื่น หรือกล่าวได้ว่ามีการใช้ทรัพยากรร่วมกับโปรเซสอื่น และเหตุที่ทำให้เกิดโปรเซสสื่อประสานอาจมีได้ดังนี้ 1. การแบ่งปันข่าวสารข้อมูลร่วมกัน (Information sharing) 2. เพิ่มความเร็วในการคำนวณ (Computation speedup) 3. แบ่งงานตามหน้าที่เป็นโมดูล (Modularity) 4. ความสะดวก (Convenience) 6 การสื่อสารในโปรเซส (Interprocess communication : IPC) การสื่อสารในโปรเซส หรือระหว่างโปรเซสมีเรื่องที่ต้องพิจารณาหลายเรื่อง 6.1 ระบบการผ่านข่าวสาร (Message-passing system) การอำนวยความสะดวกของ IPC มีอย่างน้อย 2 กระบวนการคือ การส่งข่าวสาร Send(message) หรือ การรับข่าวสาร Receive(message) นอกจากนี้การบ่งบอกถึงการเชื่อมโยงข่าวสาร และการรับ-ส่งข่าว มีหลายวิธีดังนี้ - Direct or indirect communication (ทางตรง) - Symmetric or asymmetric communication (สมมาตร) - Automatic or explicit buffering (Explicit = แน่นอน) - Send by copy or send by reference - Fixed-sized or variable-sized messages 6.2 การตั้งชื่อ (Naming) 6.2.1 Direct communication ทุกโปรเซสที่ติดต่อกันต้องมีการอ้างชื่ออย่างชัดเจน และแน่นอน เช่นการส่งข่าวสารจากโปรเซส A ไปโปรเซส B ก็ต้องระบุให้ชัดเจนว่าส่งจากไหนไปไหน send(B,message) หมายถึง ส่งไปให้โปรเซส B 6.2.2 Indirect communication receive(A,message) หมายถึง รับจากโปรเซส A การติดต่อสื่อสารทางอ้อม เป็นการติดต่อผ่าน mailbox หรือ port ซึ่งทำหน้าที่เก็บโปรเซส แล้วส่งให้อีกโปรเซสหนึ่ง วิธีนี้ทำให้โปรเซสหนึ่งติดต่อโปรเซสอื่นผ่าน mail box ได้หลาย mail box เมื่อ share mail box ก็จะทำให้การสื่อสารมีประสิทธิภาพ จากแนวคิดเรื่องการใช้ mail box ทำให้มีแบบของ mail box ขึ้น 3 แบบ 1. Queue mailbox มาก่อนออกก่อน แต่มีขนาด block คงที่ ใส่มากเกินไปก็จะเต็ม (First In First Out) 2. Pipe mailbox มีขนาดยืดหยุ่น ใส่ข้อมูบได้เท่าที่ต้องการ 3. Stack mailbox มาก่อนออกหลัง (First In Last Out) 6.3 การซิงโครไนซ์ (Synchronization) การส่งข้อมูลระหว่างโปรเซสต้องใช้พื้นที่ในการเรียก send และ receive จึงต้องออกแบบให้การเรียกเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งใช้ความรู้เรื่องการเข้า blocking และ nonblocking ไม่ให้เกิด deadlock ขึ้น จึงมีเรื่องต้องพิจารณา 4 เรื่องดังนี้ - Blocking send : The sending process is blocked until the message is received by the receiving process or by the mailbox. - Nonblocking send : The sending process sends the message and resumes operation. - Blocking receive : The receiver blocks until a message is available. - Nonblocking receive: The receiver retrieves either a valid message or a null. 6.4 บัฟเฟอร์ (Buffering) โดยพื้นฐานแล้วการส่งข่าวสารผ่านคิว จะมีลักษณะคิวอยู่ 3 แบบ - Zero capacity ไม่มีคิวอยู่ คือไม่มีการคอย ผู้ส่งต้องหยุดรอจนกระทั่งผู้รับได้รับ - Bounded capacity คิวที่มีความยาวจำกัด หรือมีขอบเขตแน่นอน - Unbounded capacity คิวที่มีความยาวไม่จำกัด ผู้ส่งจะไม่ถูกปฏิเสธ  สถานะของโปรเซส                 สถานะต่างๆ ในการทำงานของโปรเซสจะมีสถานะใดสถานะหนึ่งเท่านั้น ซึ่งจะมีหลายสถานะด้วยกัน ดังนี้  รูปที่ 2.4  โอเอสจะจัดสรรและจัดการโปรเซสจำนวนมากมายให้ทำงานได้อย่างไร     1. New         คือโปรเวสที่เพิ่งสร้างขึ้น     2.Ready         คือสถานะที่โปรเซสพร้อมที่จะใช้งานซีพียูทันทีที่โอเอสที่มอบหมายให้ โดยสถานะนี้อยู่ในสถานะพร้อมที่จะรันเท่านั้น ยังไม่มีการรันหรือเอ็กซ์คิวต์แต่อย่างใด     3. Running         คือสถานะที่โปรเซสครอบครองซีพียู หรือซีพียูมีการเอ็กซ์คิวต์คำสั่งของโปรเซสนั้น     4. Waiting         คือสถานะโปรเซสนั้นกำลังรอเหตุการณ์อะไรบ้างอย่าง     5. Block         คือสถานะที่เกิดการขัดจังหวะการอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต ซึ่งก็คืออินเตอร์รัพต์     6.Terminated         คือสถานะของโปรเซสที่ประมวลผลเสร็จสิ้น     ขั้นตอนการเปลี่ยนสถานะของโปรเซส การเปลี่ยนสถานะของโปรเซส                            เมื่อมีโปรเซสใหม่ (New) เข้ามาในระบบ โปรเซสนั้นจะอยู่ใน สถานะพร้อมหรือ Ready ก่อน โดยจะไม่สามารถเข้าไป ครอบครองซีพียูได้ทันที  เพราะในขณะนั้นอาจมีโปรเซสอื่นๆ ต่างก็ต้องการเข้ามาใช้งานซี พียูเช่นกัน แต่มีซีพียูเพียงผู้เดียวในระบบ จึงมีโปรเซสหลายๆ  โปรเซสด้วยกันที่ต้องการ ใช้งานซีพียูเพื่อรันโปรเซสตน เมื่อโปรเซสหนึ่งเข้าไปครอบครอง ซีพียู โปรเซสอื่นจะไม่สามารถเข้าไปใช้งานได้ โปรเซสนั้นจะ ต้องอยู่สถานะ Ready  พร้อมทั้งลำดับคิวของตนเพื่อรอคอยการใช้งานซีพียูต่อไป เมื่อ ซีพียูว่างลงด้วยสาเหตุการรันงานนั้นเสร็จหรือหมดช่วงระยะ เวลาในการโปรเซสหรือด้วย เหตุใดๆ ก็ตาม โอเอสก็จะนำโปรเซส Ready ที่อยู่ต้นคิวเข้ามา ใช้งานในซีพียูต่อไป    รูปที่ 2.5 การเปลี่ยนสถานะ (State) ของโปรเซส                ในสถานะ Running คือสถานะที่โปรเซสกำลังรัน งานอยู่ เมื่อรันงานจนเสร็จสิ้นโปรเซสนั้นก็จะ Terminated  หมายถึงการจบลงของโปรเซส ซึ่ง  การจบลงของโปรเซสนั้นอาจเกิดจากการรันงานจนเสร็จสิ้น  หรือเกดิจากการยกเลิกการทำงานจากผู้ใช้ก็เป็นได้               จากรูปที่ 2.5 เป็นรูปแบบการโปรเซสแบบง่ายๆ  แต่ในกรณีที่มีหลายๆ โปรเซสต้องการใช้งานซีพียูเพื่อรันงาน ของตน เมื่อโปรเซสเปลี่ยนสถานะ จาก Ready เป็น Running ซีพียูจะว่างก็ต่อเมื่อโปรเซสรันจบ เท่านั้น ซึ่งหากโปรเซสนั้นมีช่วงระยะเวลาทำงานยาว ทำให้มีการ ครอบครองซีพียูยาวนาน ก็ จะส่งผลให้โปรเซสอื่นๆ ที่อยู่ในสถานะ Ready รอคิวการใช้งาน นาน ดังนั้นโอเอสจึงมีการกำหนดระยะเวลาควอนตัม (Quantum  Time) ของแต่ละโปรเซส  กล่าวคือหากมีครอบครองซีพียูจนครบระยะเวลาควอนตัม ก็จะ ทำการย้ายโปรเซสนั้นกลับไปอยู่สถานะ Ready เข้าไปต่อคิวใหม่  และนำโปรเซส Ready ที่  อยู่ต้นคิวเข้ามารันในซีพียูแทน การทำงานจะทำงานในลักษณะ เป็นรอบๆ วนไปเรื่อยๆ จนกระทั่งโปรเซสจบลงดังรูปที่ 2.   รูปที่ 2.6 การเปลี่ยนสถานะของโปรเซสระหว่าง Running และ Ready            ในระยะเวลาควอนตัม หากโปรเซสจบลงด้วยเหตุใดๆ ก็ ตามโปรเซสนั้นๆ ก็จะเสร็จสิ้นหรือ Terminated ไป ทรัพยากร   Resource ต่างๆ ที่โปรเซสนั้น  ครอบครองอยู่ก็ถูกส่งคืนให้แก่ระบบ แต่ถ้าในขณะนั้นโปรเซส  กำลังรอเหตุการณ์บางอย่าง ไม่ว่าจะเป็นรอสัญญาณหรือ อุปกรณ์อินพุตเอาต์พุต โปรเซ  สนั้นก็จะเปลี่ยนจากสถานะ Running ไปเป็น Waiting ซึ่งช่วง ระหว่างการรอเหตุการณ์ ระบบปฏิบัติการก็อาจนำโปรเซสในคิวที่ อยู่ในสถานะ Ready มา ทำการเอ็กซ์คิวต์แทน                รูปที่ 2.7 การเปลี่ยนสถานะของโปรเซสระหว่าง Running Ready และ Waiting  นอกจากนี้ ยังมีเหตุการณ์หนึ่งซึ่งเป็นขัดจังหวะจากอุปกรณ์ กล่าวคือ ซีพียูอาจถูกขัดจังหวะด้วยอุปกรณ์อินพุต เอาต์พุต ซึ่งเรียกว่าการอินเตอร์รัพต์ โดยพิจารณาจากรูปที่ 2.8 ดังนี้  รูปที่ 2.8 โปรเซสถูกอินเตอร์รัพต์ จากรูปที่2.8 สามารถอธิบายได้ว่า 1. โปรเซสถูกบล็อกด้วยอุปกรณ์อินพุต เช่น คีย์บอร์ด 2. ตัวจัดลำดับงาน (Seheduler) นำโปรเซสอื่นเข้ามา 3. ตัวจัดลำดับงานทำงานนั้นไปโปรซส 4. รับอินพุตทางคีย์บอร์ด เราเรียกเหตุการณ์ดังกล่าวนี้ว่าการอินเตอร์รัพต์ ซึ่งในช่วงเวลานั้นโปรเซสถูกบล็อกด้วยอุปกรณ์อินพุตก็จริง แต่เพื่อมิให้ซีพียูว่าง ระบบปฏิบัติการก็นำ โปรเซสต้นคิวที่ Ready มารันแทน จนกระทั่งอุปกรณ์คีย์บอร์ดพร้อมใช้งาน ก็จะทำการรันในลักษณะดังกล่าวต่อไปเรื่อยๆ              รูปที่ 2.9 การจัดลำดับคิว (Scheduling Queues)                     การติดต่อระหว่างโปรเซส  .การติดต่อสื่อสารระหว่างโปรเซส (Inter Process Communication:IPC) หมายถึงการที่โปรเซสต่างๆ ทาการติดต่อ ประสานกัน เพื่อให้การทางานเสร็จสิ้นตามต้องการ โครงสร้างพื้นฐานของการ ติดต่อสื่อสารระหว่างโปรเซส ในการส่งข้อความ (Message) ระหว่างโปรเซสนั้น โปรเซสที่ต้องการข้อความ จากโปรเซสอื่น จะต้องส่งคาร้องไปยังโปรเซสนั้นเมื่อโปรเซสได้รับคาร้องแล้วจึง ส่งข้อความไปให้เปรเซสที่ร้องขอซึ่ง ขนาดของข้อความไม่จาเป็นต้องเท่ากัน ในการติดต่อสื่อสารระหว่างโปรเซสจะมีการสร้างลิงค์ (Link) ขึ้นมา ระหว่างโปรเซส ซึ่งมีทั้งลิงค์ทางกายภาพ (Physical Link)เช่น หน่วยความจา ร่วม บัส หรือเครือข่าย และลิงค์ทางตรรกะ (Logical Link) ปัญหาในการสร้างลิงค์ทางตรรกะ 1.จะสร้างลิงค์อย่างไร 2. ลิงค์ที่สร้างนั้นมีความสัมพันธ์กับโปรเซสมากกว่า 2 โปรเซสหรือไม่ 3. ต้องสร้างลิงค์จานวนเท่าไร ระหว่างโปรเซส 2 โปรเซส 4. แต่ละลิงค์ต้องการพื้นที่เพื่อใช้เก็บข้อความจานวนเท่าไร 5. ขนาดของข้อความควรเป็นเท่าไร และแต่ละลิงค์จะต้องรองรับ ข้อความแบบ Variable Size หรือ Fixed Size 6. แต่ละลิงค์เป็นลิงค์ทางเดียว (Unidirectional) หรือลิงค์สองทาง (Bidirectional) การรับและส่งข้อความ หรือการใช้ลิงค์สามารถทาได้ ดังนี้ 1. การติดต่อสื่อสารเป็นแบบทางตรงหรือทางอ้อม 2. การติดต่อสื่อสารเป็นแบบสมมาตร (Symmetric) หรือไม่สมมาตร (Asymmetric) 3. พื้นที่ที่ใช้เก็บข้อความเป็นแบบอัตโนมัติหรือใช้บัฟเฟอร์เฉพาะแบบ 4. ส่งข้อความแบบสาเนา (Copy) หรือแบบอ้างอิง (Reference) 5. ข้อความมีขนาดคงที่หรือไม่คงที่  การตั้งชื่อ (Naming) โปรเซสที่ด้องการติดต่อสื่อสารกัน จาเป็นต้องมีการอ้างถึงซื่อของ ผู้รับและผู้ส่ง ซึ่งการอ้างถึงนี้สามารถทาได้ทั้งทางตรงหรือทางอ้อม การสื่อสารทางตรง (Direct Communication) การติดต่อแบนนี้จะต้องกาหนดซื่อเฉพาะในการติดต่อทั้งผู้รับและผู้ ส่งลิงค์แบบนี้มีคุณสมบัติคือ 1. ลิงค์จะเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติ ระหว่างโปรเซสทั้งสอง โดยแต่ละโปรเซสต้อง รู้จักซื่อของอีกโปรเซสหนึ่ง 2. ลิงค์ 1 ลิงค์ จะเชื่อมระหว่าง 2 โปรเซสเท่านั้น 3. ลิงค์อาจเป็นแบบลิงค์ทางเดียวหรือลิงค์สองทางก็ได้ แต่ปกติมักเป็นแบบ ลิงค์สองทาง   การสื่อสารทางอ้อม (Indirect Communication) เป็นการติดต่อสื่อสารระหว่างโปรเซสโดยผ่านกล่องจดหมาย (Mail Box)หรือผ่านทางพอร์ต (Port) โดยข้อความที่ส่งไปมาระหว่าง โปรเซสจะถูกน่ามาเก็บไว้ในกล่องจดหมายก่อนที่จะส่งไปให้ โปรเซสผู้รับ กล่องจดหมายแต่ละกล่องจะมีหมายเลขที่ไม่ซ้ากัน ลิงค์แบบนี้มีคุณสมบัติ คือ 1. มีการสร้างลิงค์ระหว่างโปรเซส เมื่อโปรเซสมีการร่วมกันใช้กล่อง จดหมาย 2. ลิงค์หนึ่ง ๆ อาจมีความสัมพันธ์กันมากกว่า 2 โปรเซส 3. โปรเซสแต่ละคู่ อาจมีหลายลิงค์ที่แตกต่างกันได้ และแต่ละลิงค์จะ ติดต่อผ่านกล่อง จดหมายเดียว 4. ลิงค์อาจเป็นแบบลิงค์ทางเดียว หรือลิงค์สองทางก็ได้ การพักข้อมูล (Buffering) ในการสร้างลิงค์ นอกจากจะต้องกาหนดเส้นทางแล้วยังต้องมีพื้นที่ ส่วนหนึ่งเพื่อใช้เก็บข้อมูลชั่วคราว ซึ่งการเก็บข้อมูลนี้จะเก็บในลักษณะของคิว โดยพื้นฐานแล้วคิวนี้มีความจุ 3 รูปแบบคือ 1.ความจุแบบศูนย์ (Zero Capacity) เป็นคิวแบบมีความจุเป็น 0 คือ จะไม่มีการเก็บข้อความไว้ในคิวเลย เมื่อคิวได้รับข้อความแล้วจะส่งไปยัง ปลายทางทันที ในกรณีนี้ผู้ส่งจะต้องรอจนกว่าผู้รับจะได้รับข้อความ 2.ความจุแบบมีขอบเขต (Bounded Capacity) เป็นคิวที่มีขนาด ความจุคงที่ เมื่อใดที่ข้อความยังไม่เต็ม คิวจะรับข้อความเข้ามาอยู่ในคิว จนกว่าจะเต็ม เมื่อเต็มแล้วต้องรอจนกว่าจะมีที่ว่าง ข้อความใหม่จึงจะเข้ามาใน คิวได้ 3.ความจุแบบไร้ขอบเขต (Unbounded Capacity)เป็นคิวที่มีความจุ ไม่คงที่สามารถรับข้อความได้ตลอดเวลา ทาให้ผู้ส่งไม่ต้องรอเลย  โครงสร้างของพอร์ท โครงสร้างของพอลิเมอร์เป็นผลจากลักษณะการเชื่อมต่อกันของมอนอเมอร์  โดยโครงสร้างพอลิเมอร์สามารถจำแนกได้เป็น 3 ลักษณะ  คือ  พอลิเมอร์แบบเส้น  พอลิเมอร์แบบกิ่ง  และพอลิเมอร์แบบร่างแห  ซึ่งโครงสร้างของพอลิเมอร์ที่แตกต่างกัน  ก็จะมีผลทำให้พอลิเมอร์มีสมบัติที่แตกต่างกันไปด้วย  โดยโครงสร้างพอลิเมอร์แบบต่าง ๆ จะมีลักษณะและสมบัติดังนี้           1.  พอลิเมอร์แบบเส้น  เกิดจากมอนอเมอร์ที่ต่อกันเป็นสายยาว  โดยสายของพอลิเมอร์เหล่านี้มีการเรียงตัวอยู่ชิดกันมาก  มีจุดหลอมเหลวสูง  แข็ง  ขุ่น  เหนียว  และมีความหนาแน่นสูง  เช่น  พีวีซี,  พอลิสไตรีน,  พอลิเอทิลีน           2.  พอลิเมอร์แบบกิ่ง  เกิดจากมอนอเมอร์ที่ต่อกันเป็นสายยาวที่มีกิ่งก้านสาขา  โดยกิ่งก้านเหล่านี้จะเป็นสิ่งขัดขวางทำให้สายของมอนอเมอร์ไม่สามารถเข้ามาเรียงตัวอยู่ชิดกันได้  มีจุดหลอมเหลวต่ำ  โครงสร้างเปลี่ยนรูปร่างได้  ง่ายเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น  มีความหนาแน่นและความเหนียวต่ำ  เช่น  พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ           3.  พอลิเมอร์แบบร่างแห  เกิดจากมอนอเมอร์ที่ต่อกันเป็นร่างแห  ถ้ามีพันธะที่เชื่อมระหว่างสายโซ่อยู่น้อยก็จะยืดหยุ่นได้มาก  แต่หากมีมากก็จะแข็ง  ไม่ยืดหยุ่น  มีความแข็งแกร่ง  และเปราะหักง่าย  ใช้สำหรับทำถ้วยชาม  เช่น  เบกาไลต์,  เมลามีน การเข้าจังหวะของโปรเซส ในการใช้ทรัพยากรโดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อมูลอาจก่อให้เกิดปัญหาที่ทำให้การทำงานไม่ถูกต้อง ตัวอย่าง เริ่มต้นค่า X = 10 โปรเซสที่ 1 มีการเพิ่มค่า X จากเดิม 10 โปรเซสที่ 2 มีการลบค่า X ลง 10 ผลจากการทำงานจะเป็นดังนี้  (10+10-10) = 10 ปัญหาการทำงานของโปรเซส ปัญหาที่เกิดขึ้นกับระบบปฏิบัติการเป็นปัญหาที่หน้าสนใจและถกเถียงกันอย่างกว้างขวางตลอดจนมีการวิเคราะห์โดยการใช้วิธีการด้านซินโครไนต์จะกล่าวถึง3ปัญหาดังนี้ 1.TheDiningPhilosophersProblemปัญหาแรกนี้ไดจก์สตราได้เสนอไว้โดยสมมุติว่ามีนักปราชญ์5ท่านนั่งรอบโต๊ะกลมเพื่อทานอาหารที่วางตรงหน้าในการทานอาหารนักปราชญ์แต่ละท่านต้องใช้ตะเกียบทั้ง2ข้าง ที่วางอยู่ซ้ายมือและขวามือ เมื่อทานเสร็จในรอบนั้นจะต้องวางตะเกียบลงเพื่อเปิดโอกาสให้ทานอื่นได้ทานอาหารบ้างจะเกิดDeadlock เมื่อทั้ง5ท่านหยิบตะเกียบท่านละ1ข้างพร้อมกันสมมุติว่าทุกท่านหยิบตะเกียบข้างซ้ายมือพร้อมกันทุกท่านจะต้อรอตะเกียบข้างขวาว่างจึงจะทานอาหารได้ 2. The Readers-Writers Problem ปัญหาการทานอาหารของนักปราชญ์มีประโยชน์มากสำหรับการเป็นโมเดลของโปรเซสที่ช่วยแก้ปัญหาการใช้รีซอร์สที่แชร์กันอยู่อย่างจำกัดยังมีปัญหาอีกอย่างคือ Readers-Writers Problem เป็นปัญหาเกี่ยวข้องกับระบบคอมพิวเตอร์ที่มีกลุ่มข้อมูลใช้งานร่วมกันซึ่งมีโปรเซสอยู่ 2 ประเภทคือ อ่านข้อมูลร่วมและที่บัญทึกหรือเขียนข้อมูล -The Sleeping Barber Problem ปัญหาที่ 3 เป็นปัญหาที่เกิดในร้านตัดผมที่มีช่างตัดผม 1 คน เก้าอี้ตัดผม 1 ตัวและมีเก้าอี้ที่นั่งรอคิวอีกจำนวน 1 ถ้าไม่มีลูกค้าช่างตัดผมจะนอนพักผ่อนบนเก้าอี้ตัดผมเทื่อลูกค้าเข้ามาในร้านจะปลุกช่างตัดผมเข้ามาตัดผมถ้ามีลุกค้าเดินมาเข้าร้านเพิ่มอีกก็จะนี่งรอหรือไม่ก็ออกจากร้านไป การแก้ปัญหาจะใช้ 3 Semaphore ดังนี้ - Customers ที่นับจำนวนลูกค้า - Barbers ที่นับจำนวนช่างตัดผม 0 หรือ 1 -Mutex ที่ใช้สำหรับ Mutual Exclusion Threads Threads 1. โปรเซสที่กล่าวผ่านมาเป็นการเอ็กซิคิวต์โปรแกรมในลักษณะมีการควบคุมเพียง 1 Threads ( แต่ละโปรเซสจะประกอบด้วย Threads เพียง Threads เดียวเท่านั้น ) แต่ในระบบปฏิบัติการสมัยใหม่ในแต่ละ โปรเซสสามารถมีได้หลาย Threads อาจจะกล่าวได้ว่า Threads ก็คือส่วนประกอบย่อยโปรเซสนั่นเอง จนบางครั้งอาจเรียก Threads ว่า “ Lightweigh Process “ ( LWP ) ในรูป 2.19 ( ก ) คุณจะเห็น โปรเซส 3 โปรเซส แต่ละโปรเซสจะมีแอ็ดเดรสเป็นของตนเอง และควบคุมเพียง 3 Threads โดยใช้แอ็ดเรสเดียวกันอยู่ 2.รูป 2.19 ( ก ) 3 โปรเซสแต่ละโปรเซสมี 1 Threads ( ข ) 1 โปรเซสที่มี 3 Thread ( Mos : P82 ) Threads เป็นหน่วยพื้นฐานของการจัดสรรการใช้ประโยชน์ของซีพียู ที่ประกอบด้วย - หมายเลข Threads ( Threads ID ) เป็นหมายเลข ฮ ในโปรเซส - ตัวนับ เพื่อติดตามให้ทราบคำสั่งต่อไปที่จะเอ็กซิคิวต์ - ชุดของรีจิสเตอร์ เพื่อเก็บค่าตัวแปรที่ทำงานอยู่ - ชุดของรีจิสเตอร์ เพื่อเก็บค่าตัวแปรที่ทำงานอยู่ - สแต็ก ( Stack ) เพื่อเก็บประวัติการเอ็กซิคิวต์ ภายในโปรเซสที่ประกอบด้วย thread จะมีการโค้ด , ข้อมูล และรีซอร์ส เช่น ไฟส์ , อุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นต้น โปรเซสดั้งเดิม ( ที่เรียกว่า heavyweight ) จะทำงานได้ลายงานในเวลาเดียวกันซอฟต์แวร์ปัจจุบันที่รันกับเครื่องพีซีสมัยใหม่มีการออกแบบให้เป็น multithreded โดยแยกออกเป็นโปรเซสที่ควบคุมหลาย ๆ thread เช่น โปรแกรมเว็บบราวเซอร์ที่มี thread หนึ่งในการแสดงรูปภาพหรือข้อความในขณะที่อีก thread หนึ่งกำลังดึงข้อมูลจากเน๊ตเวิรค หรืออย่างในโปรแกรมเวิรด์โปรเซสเซอร์ที่มีหลาย thread โดยที่ thread หนึ่งกำลังแสดงภาพกราฟฟิก ในขณะที่ therad ที่สองกำลังรอรับคำสั่งจากคีย์บอร์ดจากผู้ใช้ ในขณะที่ Thread ที่สามกำลังตรวจสอบคำสะกดและ ไวยากรณ์ในลักษณะแบ็คกราว เป็นต้น ขอขอบคุณ http://oknation.nationtv.tv/blog/surawit/2008/08/20/entry-6 https://sites.google.com/site/operatingsystemeng1/kar-peliyn-sthana-khxng-porses https://www.slideshare.net/thanapornsingsuk/ss- https://www.blogger.com/blogger.g?blogID=6109229368573700792#editor/target=post;postID=7428905263435040304 http://juy12.blogspot.com/2007/12/blog-post.html   แบบฝึกหัดบทที่ 2 1. สถานะของโปรเซสมีอะไรบ้าง  จงอธิบาย  ตอบ  1) Hold  คือ  สถานะเริ่มต้นของโปรเซสทุกโปรเซส                2) Ready  คือ  โปรเซสจะเปลี่ยนสถานะจาก Hold  มาเป็น Ready เมื่อโปรเซสได้รับการจัดสรรทรัพยากรต่าง ๆ        3) Running คือ สถานะที่โปรเซสได้รับการประมวลผล        4) Waiting คือ สถานะการรอคอยทรัพยากรบางอย่าง        5) Finished  คือ สถานะที่โปรเซสได้รับการประมวลผลโดยสมบูรณ์ 2. เวลา Quantum Time  คืออะไร ตอบ  เวลาที่ขอใช้งาน CPU 3. ปัญหา DeadLock  เกิดขึ้นได้อย่างไร ตอบ  - ทรัพยากรเป็นแบบใช้ร่วมกันไม่ได้       • 1 โปรเซสเท่าั้นั้นที่จะใช้ทรัพยากรได้  อีกโปรเซสต้องรอ       - ไม่มีการแทรกกลางคัน         • ทรัพยากรจะถูกคืนเมื่อโปรเซสต้องการค้น  หากไ่ม่คืน OS ทำอะไรไม่ได้ 4. สถานะ Block  เกิดขึ้นได้อย่างไร ตอบ  โปรเซสต้องการใช้อุปกรณ์ อินพุต/เอาต์พุต  หรือเกิดอินเทอร์รัพต์ระหว่างที่รันโปรเซส  ซึ่งจะต้องรอให้มีการจัดการอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต  หรือจัดการอินเทอร์รับต์ให้เรียบร้อยก่อนจะกลับไปสถานะรันได้ต่อไป 5. การติดต่อกันระหว่าง Process  เป็นหน้าที่ของใคร ตอบ โปรเซสสื่อประสาน (Cooperating Process)  6. พอร์ท  มีกี่แบบ  อะไรบ้าง ตอบ  3 แบบ   1) พอร์ทแบบคิว             2) พอร์ทแบบไปป์             3) พอร์ทแบบสแต็ก 7. จงยกตัวอย่างพอร์ท  แบบสแต็ก ตอบ ข้อมูลชุดใดที่ถูกส่งเข้ามาก่อนจะถูกดึงออกทีหลัง  ข้อมูลที่จะถูกดึงออกจากพอร์ทคือข้อมูลชุดหลังสุดที่ถูกส่งเข้ามาในพอร์ท 8. Mutual exclusion  เกิดขึ้นได้อย่างไร ตอบ  การกีดกั้นไม่ยอมให้โปรเซสใด ๆ  เข้าใช้พื้นที่ที่เป็น Critical region 9. ปัญหาการอดตายเกิดขึ้นได้อย่างไร ตอบ  เมื่อโปรเซสใดโปรเซสหนึ่ง  ต้องการใช้อุปกรณ์พร้อมกัน  โปรเซสที่จะได้ใช้ก่อนก็คือโปรเซสที่มีลำดับความสำคัญสูงกว่า 10. องค์ประกอบของโปรเซส  มีอะไรบ้าง ตอบ  1) หมายเลขโปรเซส                 5) PSW        2) โค๊ดโปรแกรม                  6) คุณสมบัติของโปรเซส        3) ข้อมูล        4) บล็อคควบคุมโปรเซส