ใบงานที่ 3 การจัดการ Process

 ใบงานที่ 3 การจัดการ Process

จัดทำโดย นายสัญชัย  สุดเอก  รหัสประจำตัว 6031280007

การจัดการโปรเซส  Process Management

โปรเซส หมายถึง โปรแกรมที่กำลังเอ็กซิคิวต์อยู่

ในขณะที่โปรเซสกำลังเอ็กซิคิวต์อยู่นั้นจะมีการใช้ทรัพยากร (Resource) ของระบบ เช่น CPU, หน่วยความจำ, ไฟล์, อุปกรณ์ อินพุต/เอาต์พุต
ในระบบ Multiprogramming อาจประกอบด้วยโปรเซสมากมายOS จึงมีหน้าที่ในการจัดการโปรเซสในระบบทั้งหมด ไม่ว่าจะเป็นการสร้าง ลบ การจัดเวลา การจัดจังหวะและการติดต่อสื่อสารภายในโปรเซส

องค์ประกอบของโปรเซส

โปรเซสที่สมบูรณ์มีองค์ประกอบดังนี้
1. ชื่อและหมายเลขโปรเซส (Process ID)
เป็นหมายเลขประจำโปรเซสเพื่อกำหนดลำดับการเอ็กซีคิ้วต์
2. โค้ดโปรแกรม (Program code) เป็นโค้ดคำสั่งที่เป็นภาษาเครื่องที่สามารถเอ็กซิคิวต์ได้ทันที
3. ข้อมูล (Data) เป็นข้อมูลของโปรเซสหนึ่ง หรืออาจใช้ร่วมกับโปรเซสอื่น ๆ ก็ได้
4. บล็อกควบคุมโปรเซส (Process Control Block : PCB)
เป็นเนื้อที่ของหน่วยความจำที่ระบบปฏิบัติการกำหนดไว้เพื่อเก็บข้อมูที่สำคัญของโปรเซสไว้

บล็อกควบคุมโปรเซส (Process Control Block : PCB) OS จะกำหนดเนื้อที่บางส่วนในหน่วยความจำเพื่อทำเป็น PCB
   

 

4.1 พอยเตอร์(Pointer) สำหรับชี้ตำแหน่งของโปรเซสที่อยู่ในหน่วยความจำ และตำแหน่งของทรัพยากรที่โปรเซสครอบครองอยู่
4.2 สถานะของโปรเซส(Process Status) แสดงสถานะของโปรเซสที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน
4.3 หมายเลขโปรเซส(Process ID) เป็นหมายเลขประจำตัวของโปรเซส
4.4 ตัวนับจำนวน(Program Counter)เป็นตัวนับที่แสดงที่อยู่ของคำสั่งไปที่จะถูกประมวลผล

4.5 รีจิสเตอร์(Register) ทำหน้าที่เก็บข้อมูลสถานะระบบเมื่อมีอินเทอร์รัพเกิดขึ้นเพื่อทำให้โปรแกรมสามารถทำงานต่อไปได้เมื่อกลับมาทำงานอีกครั้ง รีจิสเตอร์จะมีค่าและประเภทที่เปลี่ยนแปลงได้ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมของคอมพิวเตอร์ ประเภทของรีจิสเตอร์คือ Accumulator, Index, Stack Pointer และรีจิสเตอร์ทั่วไป

4.6 ข้อมูลการจัดการเวลาซีพียู(CPU Scheduling Information) เป็นข้อมูลที่ประกอบด้วยลำดับความสำคัญของโปรเซสที่ถูกกำหนดโดยระบบปฏิบัติการเมื่อโปรเซสถูกสร้างขึ้นมา สามารถเปลี่ยนค่าไปได้ ซึ่งโปรเซสใดที่มีความสำคัญมากระบบปฏิบัติการจะให้สิทธิมากกว่าโปรเซสอื่น เช่นให้เวลาซีพียูนานกว่า เป็นต้น

4.7 ข้อมูลการจัดการหน่วยความจำ(Memory Management Information) เป็นข้อมูลเกี่ยวกับหน่วยความจำที่ระบบปฏิบัติการกำหนดไว้ เช่นขนาดหน่วยความจำ, ค่าของรีจิสเตอร์, Page table และ Segment table เป็นต้น

4.7 ข้อมูลการจัดการหน่วยความจำ(Memory Management Information) เป็นข้อมูลเกี่ยวกับหน่วยความจำที่ระบบปฏิบัติการกำหนดไว้ เช่นขนาดหน่วยความจำ, ค่าของรีจิสเตอร์, Page table และ Segment table เป็นต้น

โปรเซสที่สมบูรณ์มีองค์ประกอบดังนี้
5. PSW (Program Status Word) เป็นตัวควบคุมลำดับการ เอ็กซิคิวต์คำสั่งของโปรเซส และเก็บข้อมูลเกี่ยวกับสถานะของโปรเซส ที่อยู่ของคำสั่งที่จะเอ็กซิคิวต์ต่อไป
6.คุณสมบัติของโปรเซส
ลำดับความสำคัญของโปรเซส (Priority)
อำนาจหน้าที่ของโปรเซส (Authority)
คุณสมบัติอื่น ๆ

 คุณสมบัติของโปรเซส

    ลำดับความสำคัญของโปรเซส (Priority) โดยเมื่อโปรเซสถูกสร้างขึ้นมา ลำดับความสำคัญของโปรเซสจะถูกกำหนดโดยระบบปฏิบัติทันที สามารถเปลี่ยนค่าไปได้ ซึ่งโปรเซสใดที่มีความสำคัญมากระบบปฏิบัติการจะให้สิทธิมากกว่าโปรเซสอื่น
    อำนาจหน้าที่ของโปรเซส (Authority) เป็นการบอกอำนาจหน้าที่ของโปรเซสนั้นว่าสามารถทำอะไรได้บ้าง ใช้อุปกรณ์อะไรได้บ้าง เป็นต้น
คุณสมบัติอื่น ที่ระบบปฏิบัติการกำหนดให้มี

 สถานะของโปรเซส

ในขณะที่เอ็กซิคิวต์โปรเซสอยู่นั้น โปรเซสจะมีการเปลี่ยนแปลงสถานะอยู่ตลอดเวลาสามารถแบ่งสถานะดังนี้
-สถานะเริ่มต้น (New) เป็นสถานะที่เริ่มต้นสร้างโปรเซส
-สถานะพร้อม (Ready) เป็นสถานะที่พร้อมจะครอบครองซีพียู แต่ยังไม่มีการรัน
-สถานะรัน (Running) เป็นสถานะที่โปรเซสเข้าครอบครองซีพียูและมีการเอ็กซิคิวต์คำสั่งในโปรแกรมของโปรเซส
-สถานะรอ (Wait) เป็นสถานะที่โปรเซสกำลังรอเหตุการณ์บางอย่าง เช่น การรอสัญญาณ การจัดการอินพุต/เอาต์พุตดีไวซ์
-สถานะบล็อก (Block) เป็นสถานะที่โปรเซสต้องการใช้อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต หรือเกิดอินเทอร์รัพต์ระหว่างที่รันโปรเซส ซึ่งจะต้องรอให้มีการจัดการอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต หรือจัดการอินเทอร์รัพต์ให้เรียบร้อยก่อนจะกลับไปสถานะรันได้ต่อไป
-สถานะสิ้นสุด (Terminate) เป็นสถานะที่หยุดนิ่งอันเกิดจากโปรเซสถูกเอ็กซิคิวต์หมดทุกคำสั่งในโปรแกรมแล้ว

 

ขั้นตอนการเปลี่ยนสถานะของโปรเซส

   เมื่อผู้ใช้ต้องการส่งงานให้เครื่องคอมพิวเตอร์ทำงาน OS จะเป็นผู้ที่รับทราบความต้องการนี้ และจะเตรียมสร้างโปรเซสให้กับงานใหม่ที่ถูกส่งเข้ามาOS จะต้องพิจารณาว่าเนื้อที่หน่วยความจำหลักของระบบมีเพียงพอหรือไม่
-ถ้าเพียงพอก็จะทำการสร้างโปรเซสใหม่โดยเก็บไว้ในหน่วยความจำหลัก
-ถ้าไม่เพียงพอก็จะต้องรอจนกว่าจะมีโปรเซสอื่นจบลงและมีเนื้อที่ในหน่วยความจำเหลือมากพอ เมื่อโปรเซสถูกสร้างขึ้นมาใหม่จะอยู่ในสถานะพร้อมก่อน ยังไม่สามารถเข้าไปใช้งาน CPU ได้ 
สาเหตุที่โปรเซสไม่สามารถเข้าใช้งาน CPU ได้ทันที
-เนื่องจากระบบคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันเป็นระบบที่มีผู้ใช้หลายคนในเวลาเดียวกัน
-ทำให้มีโปรเซสมากมายเกิดขึ้น ซึ่งโปรเซสเหล่านี้ต้องการใช้ CPU ทั้งสิ้น
-ต้องมีการจัดคิวและแจ้งสถานะพร้อมให้กับโปรเซสไว้ก่อน
-เมื่อโปรเซสที่ใช้งาน CPU ทำงานเสร็จสิ้นหรือถูกยกเลิก ทำให้ CPU จะว่าง โปรเซสต่อไปที่อยู่ในคิวก็จะเลื่อนเข้าไปใช้ CPU (เปลี่ยนสถานะจากพร้อมเป็นสถานะรัน)
-เหตุการณ์ทั้งหมดผู้ที่ทำหน้าที่ควบคุมการทำงานคือ OS

                 

เมื่อผู้ใช้ส่งงานให้กับระบบรัน OS จะทำการสร้างโปรเซสสำหรับงานนั้นขึ้นมา
*การทำงานของ OS ก็ถือว่าเป็นงานของระบบดังนั้นจะมีการสร้างโปรเซสขึ้นเหมือนกัน
*นอกจากนั้นโปรเซสที่ถูกสร้างขึ้นก็สามารถสร้างโปรเซสย่อยได้
*โปรเซสที่ให้กำเนิด เราเรียกว่าโปรเซสแม่ (parent process)
*โปรเซสย่อยที่เกิดขึ้น เราเรียกว่าโปรเซสลูก (child process)


กรณีที่โปรเซสใดใช้เวลารันเป็นเวลานานก็จะครอบครองซีพียูเป็นเวลานาน
*ทำให้โปรเซสอื่น ๆ เสียเวลาในการรอนานเกินไป
*เพื่อแก้ปัญหานี้ OS จะกำหนดเวลาในการอยู่ในสถานะการรันของทุกโปรเซสไว้ เรียกว่า “เวลาควันตัม (Quantum time)”
*ถ้าโปรเซสใดใช้เวลาครอบครอง CPU เกินกว่าเวลาควันตัม ระบบปฏิบัติการจะย้ายโปรเซสนั้นไปต่อคิวใหม่และเปลี่ยนเป็นสถานะพร้อม และนำโปรเซสที่อยู่ในคิวต่อไปมารัน

   ภายในระยะเวลาควันตัม ถ้าโปรเซสจบลง โปรเซสก็จะออกจากระบบ ทรัพยากรต่าง ๆ ที่โปรเซสครอบครองก็จะถูกส่งคืนให้กับระบบ

*กรณีที่โปรเซสกำลังอยู่ในสถานะรัน มีความต้องการใช้อุปกรณ์อินพุต/เอาท์พุต หรืออาจจะเกิดอินเทอร์รัพต์ (Interrupt) ขึ้น
*OS ก็จะย้ายโปรเซสจากสถานะรันไปอยู่ในสถานะบล็อก และดึงโปรเซสที่อยู่ในคิวต่อไปมารัน

*กรณีที่ระบบมีงานมากเกินไป OS ไม่สามารถตอบสนองการทำงานของโปรเซสทั้งหมดได้
*OS จะนำเอาโปรเซสบางโปรเซสไปเก็บไว้ในสถานะรอชั่วคราวก่อน รอจนจำนวนโปรเซสในระบบลดลงมาอยู่ในระดับปกติ จึงค่อยย้ายโปรเซสเหล่านั้นกลับมาทำงาน

ลำดับชั้นของโปรเซส (Process Hierarchy)

*เมื่อผู้ใช้ส่งงานให้กับระบบรัน OS จะทำการสร้างโปรเซสสำหรับงานนั้นขึ้นมา
*การทำงานของ OS ก็ถือว่าเป็นงานของระบบดังนั้นจะมีการสร้างโปรเซสขึ้นเหมือนกัน
*นอกจากนั้นโปรเซสที่ถูกสร้างขึ้นก็สามารถสร้างโปรเซสย่อยได้
*โปรเซสที่ให้กำเนิด เราเรียกว่าโปรเซสแม่ (parent process)
*โปรเซสย่อยที่เกิดขึ้น เราเรียกว่าโปรเซสลูก (child process)

*โดยทั่วไป เมื่อโปรเซสแม่จบลง โปรเซสต่าง ๆ ที่อยู่ภายใต้ตัวมันก็จะจบลงตามไปด้วย
*แต่ OS บางตัวยอมให้โปรเซสแม่จบลง โดยที่โปรเซสลูกไม่ต้องจบลงตามไปด้วย ในกรณีนี้โปรเซสลูกก็จะไม่มีโปรเซสแม่

จากตัวอย่างในรูป โปรเซส A จะมีโปรเซสลูก 3 โปรเซสคือ B,C และ D
ถึงแม้ว่าโปรเซส A เป็นโปรเซสแม่ของโปรเซส B,C และ D แต่โปรเซส A ไม่ได้เป็นผู้ที่สร้างโปรเซส B,C และ D
ผู้ที่สร้างโปรเซสทั้งหมดได้แก่ OS ซึ่ง OS จะมีโปรเซสหนึ่งทำหน้าที่สร้างและยุติโปรเซส คือ “ตัวจัดคิวระยะยาว”
คำถาม
โปรเซส  F,G,H นั้นถูกสร้างโดยโปรเซส D ใช่หรือไม่
ใครเป็นผู้ที่สร้างโปรเซส A 

โปรเซสสื่อประสาน (Cooperating Processes)

*โปรเซสที่เอ็กซิคิวต์ในระบบนั้นมี 2 แบบ
  -โปรเซสที่เป็นอิสระ ( Independent Processes) หมายถึงโปรเซสที่ไม่มีผลกระทบหรือไม่ได้รับผลกระทบจากโปรเซสอื่น
  -โปรเซสสื่อประสาน (Cooperating Processes) หมายถึงโปรเซสที่มีผลกระทบหรือได้รับผลกระทบจากโปรเซสอื่น
*เหตุผลที่ทำให้เกิดการประสานงานระหว่างโปรเซส
  -ต้องการใช้ข้อมูลร่วมกัน
  -ต้องการเพิ่มความเร็วในการคำนวณ 

การติดต่อระหว่างโปรเซส (Interprocess communication)

*นอกจากการใช้หน่วยความจำร่วมแล้วยังมีวิธีอื่นที่มีความสะดวกมากกว่าและเป็นมาตรฐาน คือการใช้พอร์ท (Port)
*พอร์ท คือพื้นที่ในหน่วยความจำส่วนหนึ่งที่ OS จัดไว้เพื่อให้โปรเซสต่าง ๆ ใช้ร่วมกันได้
*โดย OS จะทำหน้าที่เป็นผู้ให้จังหวะในการรับส่งข้อมูลให้กับแต่ละโปรเซส เช่น
  -ถ้าโปรเซส A ต้องการใช้ข้อมูลจากโปรเซส B OS จะเป็นผู้ค้นหาข้อมูล B จากพอร์ท ถ้าพบก็จะให้โปรเซส A รับข้อมูลไป แต่ถ้าไม่พบก็จะให้โปรเซสนั้นหยุดรอจนกว่าจะมีข้อมูลถูกส่งมาไว้ที่พอร์ท

โครงสร้างของพอร์ท

พอร์ทในปัจจุบันมี 3 แบบ
  -พอร์ทแบบคิว โครงสร้างของพอร์ทแบบนี้ข้อมูลชุดใดที่ถูกส่งเข้าพอร์ทก่อนจะถูกดึงออกไปก่อน ข้อมูลชุดใดที่ถูกส่งเข้าพอร์ททีหลังจะถูกดึงออกไปทีหลัง
  -พอร์ทแบบไปป์ มีลักษณะการทำงานเหมือนพอร์ทแบบคิว แต่ไปป์มีความยาวของพอร์ทไม่จำกัด ในขณะที่พอร์ทแบบคิวมีความยาวของพอร์ทคงที่
  -พอร์ทแบบแสต๊ก มีกลไกการทำงานโดยข้อมูลชุดใดที่ถูกส่งเข้าพอร์ทก่อนจะถูกดึงออกไปใช้ทีหลังก่อน ข้อมูลชุดใดที่ถูกส่งเข้าพอร์ททีหลังจะถูกดึงออกไปใช้ก่อน

การเข้าจังหวะของโปรเซส (Process Synchronization)
*ในการใช้ทรัพยากรโดยเฉพาะอย่างยิ่งข้อมูลอาจก่อให้เกิดปัญหาที่ทำให้การทำงานไม่ถูกต้อง
*ตัวอย่าง
-เริ่มต้นค่า X = 10
-โปรเซสที่ 1 มีการเพิ่มค่า X จากเดิม 10
-โปรเซสที่ 2 มีการลบค่า X ลง 10
-ผลจากการทำงานจะเป็นดังนี้ (10+10-10) = 10

 

 

 

  *จากรูปจะเห็นว่าถ้าโปรเซสที่ 1 และ 2 มีการทำงานที่เป็นอิสระอาจทำให้ผลลัพธ์เกิดความผิดพลาดขึ้น
  *ดังนั้นเพื่อป้องกันความผิดพลาดที่เกิดขึ้น จะต้องมีการจัดจังหวะการทำงานให้กับแต่ละโปรเซสสำหรับการใช้ข้อมูลร่วมกัน
 *จากตัวอย่างควรกำหนดว่าเมื่อโปรเซสใดได้เข้ามาครอบครองข้อมูล โปรเซสอื่น ๆ ที่ต้องการใช้ข้อมูลตัวเดียวกันจะต้องหยุดรอให้โปรเซสแรกใช้งานให้เสร็จก่อน
 *การป้องกันโปรเซสอื่น ๆ เข้ามาใช้ทรัพยากรซึ่งมีโปรเซสหนึ่งครอบครองอยู่แล้วเรียกว่า การไม่เกิดร่วม (Mutual exclusion)
 *ในช่วงเวลาที่โปรเซสเข้าไปครอบครองทรัพยากรแบบการไม่เกิดร่วมนี้เรียกว่า โปรเซสนั้นอยู่ในย่านวิกฤต (Critical region หรือ Critical Section)

ปัญหาการทำงานของโปรเซส

  -ในขณะที่โปรเซส A กำลังรอ ปรากฏว่ามีโปรเซสอื่น ๆ ที่มีลำดับความสำคัญสูงกว่าโปรเซส A ต้องการใช้เครื่องพิมพ์
  -สิ่งที่เกิดขึ้นกับโปรเซส A คือ โปรเซส A จะถูกโปรเซสอื่นแซงตลอดเวลา เราเรียกเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นนี้ว่า “การอดตายของโปรเซส (Starvation) หรือ การเลื่อนไหลไปอย่างไม่มีวันสิ้นสุด (Infinite postponement) 

ปัญหาที่ 2 : วงจรอับ หรือ การติดตาย (Deadlock)

 

 

 

แบบฝึกหัดที่ 2

1.สถานะของโปรเซสมีอะไรบ้าง จงอธิบาย

ตอบ  สถานะเริ่มต้น (New) เป็นสถานะที่เริ่มต้นสร้างโปรเซส
     สถานะพร้อม (Ready) เป็นสถานะที่พร้อมจะครอบครองซีพียู แต่ยังไม่มีการรัน
     สถานะรัน (Running) เป็นสถานะที่โปรเซสเข้าครอบครองซีพียูและมีการเอ็กซิคิวต์คำสั่งในโปรแกรมของโปรเซส

     สถานะรอ (Wait) เป็นสถานะที่โปรเซสกำลังรอเหตุการณ์บางอย่าง เช่น การรอสัญญาณ การจัดการอินพุต/เอาต์พุตดีไวซ์
    สถานะบล็อก (Block) เป็นสถานะที่โปรเซสต้องการใช้อุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต หรือเกิดอินเทอร์รัพต์ระหว่างที่รันโปรเซส ซึ่งจะต้องรอให้มีการจัดการอุปกรณ์อินพุต/เอาต์พุต หรือจัดการอินเทอร์รัพต์ให้เรียบร้อยก่อนจะกลับไปสถานะรันได้ต่อไป
    สถานะสิ้นสุด (Terminate) เป็นสถานะที่หยุดนิ่งอันเกิดจากโปรเซสถูกเอ็กซิคิวต์หมดทุกคำสั่งในโปรแกรมแล้ว

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 เป็นหน้าที่ของโคร

ตอบ โปรเซสสื่อประสาน (Cooperating Process)
6.พอร์ท มีกี่แบบอะไรบ้าง

ตอบ 3 แบบ  1) พอร์ทแบบคิว
          2) พอร์ทแบบไปป์
          3) พอร์ทแบบสแต็ก
7.จงยกตัวอย่าง พอร์ทแบบสเต็ก

ตอบ ข้อมูลชุดใดที่ถูกส่งเข้ามาก่อนจะถูกดึงออกทีหลัง ข้อมูลที่จะถูกดึงออกจากพอร์ทคือข้อมูลชุดหลังสุดที่ถูกส่งเข้ามาในพอร์ท
8.Mutual exclusion เกิดขึ้นได้อย่างไร

ตอบ การกีดกั้นไม่ยอมให้โปรเซสใด ๆ เข้าใช้พื้นที่ที่เป็น Critical region
9.ปัญหาการอดตาย เกิดขึ้นได้อย่างไร

ตอบ มื่อโปรเซสใดโปรเซสหนึ่ง ต้องการใช้อุปกรณ์พร้อมกัน โปรเซสที่จะได้ใช้ก่อนก็คือโปรเซสที่มีลำดับความสำคัญสูงกว่า

10.องค์ประกอบของโปรเซส มีอะไรบ้าง 

ตอบ 1. หมายเลขโปรเซส
    2.โค๊ดโปรแกรม
    3. ข้อมูล
    4.บล็อคควบคุมโปรเซส
    5. PSW

    6.คุณสมบัติของโปรเซส