Systeme d’exploitation

En informatique, un système d’exploitation (souvent appelé OS — de l’anglais Operating System) est un ensemble de programmes qui dirige l’utilisation des ressources d’un ordinateur par des logiciels applicatifs. Lien Wikipedia

Il reçoit des demandes d’utilisation des ressources de l’ordinateur — ressources de stockage des mémoires (par exemple des accès à la mémoire vive, aux disques durs), ressources de calcul du processeur central, ressources de communication vers des périphériques (pour parfois demander des ressources de calcul au GPU par exemple ou tout autre carte d’extension) ou via le réseau — de la part des logiciels applicatifs. Le système d’exploitation gère les demandes ainsi que les ressources nécessaires évitant les interférences entre les logiciels.

Processus et blocages

Définitions

Exécution d’un programme: le lancement d’un programme entraîne des lectures et écritures dans des registres et une partie de la mémoire. Le microprocesseur réalise des opérations sur les données mises dans les registres.

Un processus représente une instance d’exécution d’un programme dans une machine donnée.

Les états d’un processus

Les systèmes d’exploitation sont capables de gérer l’execution de plusieurs processus en même temps. En réalité, ce n’est pas tout à fait en même temps: pour gérer ce chacun son tour, les systèmes d’exploitation attribuent des états au processus.

Ces états sont résumés ci-dessous.

• Lorsqu’un processus est créé, il démarre dans l’état prêt: il attend de pouvoir avoir accès au processeur.
• Le processus obtient, grâce au systeme d’exploitation, l’accès au processeur. Il passe alors dans l’état élu.
• Alors qu’il est élu, le processus peut avoir besoin d’attendre une ressource quelconque comme, par exemple, une ressource en mémoire ou sur le disque dur. Il doit alors quitter momentanément le processeur pour que celui-ci puisse être utilisé à d’autres tâches (le processeur ne doit pas attendre!). Le processus passe donc de l’état élu à l’état bloqué. (c’est un blocage)
• Lorsque le processus a obtenu la ressource attendue mais s’est fait prendre sa place dans le processeur par un autre processus, il se met en attente: C’est l’état prêt, en attente que la place se libère. Cette étape, de bloqué à prêt est l’opération de déblocage.
• Le passage de l’état prêt vers l’état élu constitue l’opération d’élection.
• Un processus ne pourra terminer que s’il est déjà dans l’état élu.

Chaque processus possède un numéro PID qui lui est attribué automatiquement. Il possède aussi un PPID qui est le numéro d’identification du processus père.

Ordonnancement

Plusieurs processus peuvent être dans l’état prêt: comment choisir celui qui sera élu?

L’ordonnanceur (sheduler) classe les processus prêts dans une file et les fait passer du statut prêt à élu (et inversement). Il planifie l’exécution des processus.

Dans les systèmes d’exploitation, l’ordonnanceur désigne le composant du noyau du système d’exploitation choisissant l’ordre d’exécution des processus sur les processeurs d’un ordinateur. Cette organisation permet d’occuper au mieux le (ou les) processeurs.

Il existe plusieurs politiques d’ordonnancement dont le choix va dépendre des objectifs du système. Voici quelques exemples:

• Premier arrivé, premier servi: simple, mais peu adapté à la plupart des situations.
• Plus court d’abord: très efficace, mais il est la plupart du temps impossible de connaître à l’avance le temps d’exécution d’un processus.
• Priorité: le système alloue un niveau de priorité aux processus (SCHED_FIFO sur Linux). Cependant des processus de faible priorité peuvent ne jamais être élus.
• Tourniquet: un quantum de temps est alloué à chaque processus (SCHED_RR sous Linux). Si le processus n’est pas terminé au bout de ce temps, il est mis en bout de file en état prêt.
• Un système hybride entre tourniquet et priorité qu’on retrouve dans les systèmes Unix.

Interblocage

Concurents mal synchronisés

L’ordonnanceur fait passer les processus de élu à commuté. Mais Il peut y avoir une situation où 2 processus sont interbloqués car:

• P1 possède la ressource R1 mais souhaite R2: commutation pour P2
• P2 possède la ressource R2 mais souhaite R1: commutation pour P1

Dans cette situation, les deux processus légers sont définitivement bloqués.(wiki)

Des solutions de détection/guérison peuvent être mises en place.

Définition sur Wikipedia

Deux processus en concurrence pour deux ressources dans un ordre opposé. Voici une chronologie possible qui mène à un interblocage.

A) Un seul processus se déroule.

B) Le processus ultérieur doit attendre.

C) Un blocage se produit lorsque le premier processus verrouille la première ressource en même temps que le second processus verrouille la seconde ressource.

D) Le blocage peut être résolu en annulant et en redémarrant le premier processus.

Modélisation par un graphe orienté

Il y a interblocage lorsque des cycles sont présents dans le graphe réalisé de la manière suivante:

• un arc de la ressource Ri au processus Pj signifie que le processus Pj a obtenu la ressource
• un arc Pj vers Ri signifie que le processus Pj demande la ressource Ri.

Exemple: le processus P1 utilise la ressource R2 qui est attendue par le processus P2 qui utilise la ressource R1, attendue par P1.

Illustration d’un interblocage routier

Gestion des tâches par une même application

Un thread est un élément d’un processus qui va partager avec un programme l’espace des données et va s’exécuter de façon simultané avec d’autres thread. On parle aussi de processus légers.

Plusieurs threads peuvent exister dans le même processus. Ces threads partagent la mémoire et l’état du processus. En d’autres termes: ils partagent le code ou les instructions et les valeurs de ses variables.

Ils peuvent aussi causer de multiples problèmes (accès concurent, interblocage).

On a vu un problème identique sur la gestion concurente des accès à une même ressource sur le chapitre sur les SGBD.

Le TP2 plus bas permet d’explorer ces notions avec le multi-threading…

TP1 en console (UNIX) ou avec l’editeur de commandes (WIN)

Commencer par s’approprier les bases du langage en console LINUX

Faire le TP au paragraphe 3 LINUX de la page Levasseur.xyz: NSI

Tester également les commandes suivantes au cours de ce TP: |

Les commandes d’exploration

• PWD: nom du repertoire courant
• cd ..: remonter au repertoire parent
• ls: lister le contenu du repertoire courant (nombreuses options possibles comme l, -R, …)

La commande cat

Cette commande permet à la fois:

• de consulter le contenu d’un fichier: cat nom_du_fichier
• de créer et editer le contenu d’un fichier: cat > nom_du_fichier. Le curseur (carré) permet d’editer le contenu. Pour sortir de l’editeur, faire CTRL + D.

afficher un contenu trop long

Si vous utilisez ls -R, qui affiche de manière recursive le contenu de tous les repertoires et fichiers à partir du repertoire courant, l’affichage est trop rapide pour en voir le detail.

On peut alors utiliser l’option | more, qui attend un appui sur le clavier pour passer à la suite de l’affichage: ls -R | more.

Une autre possibilité est de rediriger le contenu dans un fichier, nouveau ou existant: ls -R > fichier1.txt

Le symbole > va mettre le contenu dans le fichier, alors que >> va ajouter le contenu au fichier.

La commande ps ou ‘ps -l’

Pour la liste des processus obtenue par ps

• PID : numéro du processus (processus identifier)
• PPID : identifiant du parent qui a engendré le processus
• PRI : numero pour indiquer la priorité
• TTY : le terminal utilisé
• TIME : temps d’occupation du processeur
• CMD : commande qui a lancé le processus

La commande top :

Cette commande est l’équivalent du gestionnaire de tâches de Windows. Elle apporte donc des renseignements sur la consommation mémoire, CPU, buffer et tous les processus en cours. Son intérêt est qu’elle apporte des statistiques de consommation en temps réel.

• PID : numéro du processus
• USER : utilisateur qui fait tourner le process
• %CPU: la consomation du CPU
• %MEM: la consomation de la RAM
• TIME+: le temps d’utilisation CPU depuis que le process est lancé
• COMMAND: le processus en lui-même

Sous windows, on peut aussi utiliser le Task manager

Vocabulaire

Terminal

Un terminal est un programme qui permet d’interagir avec le systeme d’exploitation. On peut utiliser le terminal au lieu de passer par une interface utilisateur graphique pour donner des commandes.

Editeur de texte et IDE

• Editeur de texte : C’est un programme conçu pour ecrire et modifier du code. La plupart des editeurs offrent des fonctions pour faciliter l’edition (coloration syntaxique) : notepad++, sublime text, Vim, Atom, Geany…
• IDE : c’est un editeur de texte doté de fonctionnalités de gestion de projet. Pour developper en python, c’est par exemple PyCharm, Spyder, Visual studio…

TP2 multi-treading et Python

Lien vers le TP: parallélisme en Python

Liens

• ce cours est inspiré de David Roche, sit Pixees term NSI partagé sous licence CC0
• Processeur, programmes, processus: très bon cours de levasseur.xyz
• cours NSI qkzk : systeme de fichiers
• multiprocessing
• (multi)threading
• multiprocessing or multithreading