Pertemuan 4Thread, SMP & Microkernel

H u s n iLab. Sistem Komputer & JaringanTeknik Informatika Univ. Trunojoyo

Sistem Operasi 2009

2

Ikhtisar

• Thread: Kepemilikan sumber daya dan Eksekusi

• Symmetric Multiprocessing (SMP).• Microkernel• Studi kasus thread & SMP:

– Windows– Solaris– Linux

3

Proses & Thread (1)

• Proses memiliki dua karakteristik:– Resource ownership (kepemilikan sumber

daya) – proses mempunyai ruang alamat virtual untuk menangani image proses yang didefinisikan dalam PCB

– Scheduling-execution (penjadwalan-eksekusi) – Mengikuti suatu path eksekusi (trace), ada pergatian dari satu proses ke lainnya

• Dua karakteristik ini diperlakukan secara independen oleh sistem operasi.

4

Proses & Thread (2)

• Unit dari dispatching diacu sebagai thread atau lightweight process

• Unit dari kepemilikan sumber daya diacu sebagai proses atau task

5

Multithreading

• Kemampuan dari SO untuk mendukung banyak (multiple), concurrent path eksekusi di dalam suatu proses tunggal.

6

Pendekatan Thread Tunggal

• MS-DOS mendukung proses pengguna tunggal & thread tunggal.

• Beberapa UNIX, mendukung banyak proses pengguna (user process) tetapi hanya mendukung satu thread per-proses.

7

Pendekatan Multithreading

• Java run-time environment (JRE) merupakan proses tunggal dengan banyak thread

• Banyak proses & thread dijumpai di Windows, Solaris, & versi modern dari UNIX (termasuk Linux)

8

Proses

• Suatu ruang alamat virtual yang memegang process image

• Akses terproteksi ke– Processor, – Proses lain, – File, – Sumber daya I/O

9

Thread dalam Proses

• Setiap thread mempunyai– Status eksekusi (running, ready, dll.)– Konteks thread tersimpan saat tidak berjalan

(not running)– Stack eksekusi– Beberapa storage statis per-thread bagi

variabel lokal– Akses terhadap memory & sumber daya dari

prosesnya (semua thread dari proses saling berbagi pakai)

10

Satu Pandangan…

• Salah satu cara memandang thread adalah sebagai suatu program counter independen yang beroperasi di dalam proses.

11

Thread vs. Proses

12

Keuntungan dari Thread

• Pembuatan thread baru lebih cepat dari pada proses baru

• Penghentian thread lebih singkat daripada penghentian proses

• Switching antara dua thread lebih singkat daripada switching antar proses

• Thread dapat berkomunikasi satu sama lain – Tanpa memanggil kernel

13

Thread di Sistem Single-User

• Kerja foreground & background • Pemrosesan asynchronous • Kecepatan eksekusi• Struktur program modular

14

Penanganan Thread

• Tindakan yang mempengaruhi semua thread di dalam proses – SO harus mengelola ini pada level proses.

• Contoh:– Mensuspend suatu proses berarti

mensuspend semua thread dari proses tersebut

– Menghentikan suatu proses akan menghentikan semua thread di dalam proses tersebut

15

Aktifitas Menyerupai Proses

• Thread mempunyai status eksekusi dan dapat sinkron satu dengan lainnya.– Menyerupai proses

• Ada dua aspek penting dalam fungsionalitas thread:– Status – Sinkronisasi

16

Status Eksekusi Thread

• Status berasosiasi dengan perubahan dalam status thread– Spawn (thread yang lain)– Block

• Isu: akan memblock thread lain atau semua thread

– Unblock– Finish (thread)

• Mendealokasikan konteks register dan stack

17

Contoh: Remote Procedure Call

• Anggap:– Suatu program yang mengerjakan dua remote

procedure call (RPC) – Terhadap dua host berbeda – Untuk mendapatkan hasil gabungan

18

RPC dengan Thread Tunggal

19

RPC - Satu Thread per Server

20

Multithreading pada Uniprocessor

21

Adobe PageMaker

22

Kategori Implementasi Thread

• User Level Thread (ULT)

• Kernel level Thread (KLT) juga disebut:

– kernel-supported threads – lightweight processes.

23

User-Level Thread

• Semua manajemen thread dikerjakan oleh aplikasi

• Kernel is not aware of keberadaan thread.

24

Hubungan antara ULTStatus Thread & Proses

25

Kernel-Level Thread

• Kernel memelihara informasi konteks bagi proses & thread – Manajemen thread

dilakukan oleh kernel, bukan aplikasi

• Scheduling dilakukan pada basis thread

• Windows menggunakan pendekatan ini

26

Keuntungan dari KLT

• Kernel dapat secara simultan menjadwal banyak thread dari proses yang sama pada banyak processor.

• Jika satu thread dalam suatu proses diblock, kernel dapat menjadwal thread yang lain dari proses yang sama.

• Rutin kernel sendiri dapat dibuat multithread.

27

Kerugian dari KLT

• Transfer kontrol dari satu thread ke lainnya di dalam proses yang sama mengharuskan switch modus ke kernel

28

Pendekatan Gabungan

• Pembuatan thread dikerjakan dalam ruang pengguna (user space)

• Bagian terbesar dari scheduling & sinkronisasi thread dalam aplikasi

• Contoh: Solaris

29

Hubungan antara Thread & Proses

30

Symmetric Multiprocessing

• Secara tradisional, komputer ditampilkan sebagai mesin sequential.– Processor mengeksekusi satu demi satu

instruksi (satu pada satu waktu) secara urut (sequence)

– Setiap instruksi adalah suatu urutan operasi

• Dua pendekatan popular untuk penyediaan parallelism– Symmetric MultiProcessors (SMP)– Clustering (tidak dibahas di kuliah ini)

31

Kategori Sistem Komputer (1)

• Single Instruction Single Data (SISD) stream– Processor tunggal mengeksekusi stream

intruksi tunggal untuk beroperasi pada data yang disimpan dalam memory tunggal

• Single Instruction Multiple Data (SIMD) stream– Setiap instruksi dieksekusi pada himpunan

data berbeda oleh processor berbeda

32

Kategori Sistem Komputer (2)

• Multiple Instruction Single Data (MISD) stream (Tidak pernah diimplementasikan)

– Serangkaian data ditransmisikan ke suatu himpunan processor, masing-masing mengeksekusi rangkaian instruksi berbeda

• Multiple Instruction Multiple Data (MIMD)– Sekumpulan processor secara simultan

mengeksekusi rangkaian instruksi berbeda pada kumpulan data berbeda

33

Arsitektur Processor Parallel

34

Symmetric Multiprocessing

• Kernel dapat berjalan pada processor manapun– Memungkinkan bagian-bagian kernel berjalan

secara paralel

• Biasanya setiap processor melakukan self-scheduling dari pool proses atau thread yang tersedia

35

Organisasi SMP (Typical)

36

Rancangan SO Multiprocessor

• Isu rancangan utama mencakup– Proses atau thread concurrent simultan– Scheduling (penjadwalan)– Synchronization (sinkronisasi)– Manajemen Memory– Reliability dan Fault Tolerance

37

Microkernel

• Microkernel merupakan suatu inti SO kecil yang menyediakan fondasi bagi ekstensi-ekstensi modular.

• Pertanyaan besar: seberapa kecil harusnya suatu kernel agar dapat disebut sebagai microkernel– Haruskah driver ada dalam user space?

• Dalam teori, pendekatan ini memberikan fleksibilitas & modularitas derajat tinggi.

38

Arsitektur Kernel

39

Rancangan Microkernel: Manajemen Memory

Manajemen memory level bawah (low-level): Memetakan setiap page virtual ke frame fisik

– Sebagian besar tugas manajemen memory terjadi dalam user space

40

Rancangan Microkernel:Komunikasi Antar Proses (IPC)

• Komunikasi antar proses (Interprocess Communication) atau thread dalam suatu SO mikrokernel adalah melalui message.

• Suatu message menyertakan:– Header yang mengidetifikasi proses

pengiriman dan penerimaan, dan – Body yang mengandung data langsung,

pointer ke suatu block data, atau beberapa informasi kontrol mengenai proses.

41

Rancangan Microkernal:Manajemen I/O & interrupt

• Di dalam mikrokernel, adalah mungkin menangani interupsi hardware sebagai message dan menyertakan port I/O dalam ruang alamat.– Proses user-level tertentu dilewatkan ke

interrupt & kernel memelihara pemetaan tersebut.

42

Keuntungan dari

Organisasi Microkernel

• Interface seragam pada request dibuat oleh suatu proses.

• Extensibility• Flexibility• Portability• Reliability• Dukungan sistem terdistribusi• Sistem operasi berorientasi obyek

43

Studi Kasus:

Pendekatan thd Proses

• Terhadap proses, beda OS beda bentuk dukungannya.– Bagaimana proses dinamakan– Apakah thread disediakan– Bagaimana proses direpresentasikan– Bagaimana sumber daya proses diproteksi– Mekanisme apa yang digunakan bagi

komunikasi & sinkronisasi antar proses– Bagaimana proses dihubungkan satu dengan

lainnya

44

Proses Windows

• Proses & service disediakan oleh kernel Windows relatif sederhana dan bertujuan umum (simple & general purpose)– Diimplementasikan sebagai obyek– Proses executable dapat mengandung satu

atau lebih thread– Obyek proses & thread punya kemampuan

sinkronisasi built-in.

45

Hubungan Proses & Resource

46

Obyek Proses Windows

47

Obyek Thread Windows

48

Status Thread

49

Dukungan SMP Windows

• Thread dapat berjalan pada processor apapun– Tetapi aplikasi dapat membatasi persamaan

• Pertalian soft– Dispatcher mencoba untuk melewatkan suatu

thread ready ke processor yang sama saat berjalan terakhir.

– Ini membantu reuse data masih dalam yang cache memory processor dari eksekusi thread sebelumnya.

• Pertalian hard– Suatu aplikasi membatasi thread untuk processor

tertentu

50

Solaris

• Solaris mengimplementasikan dukungan thread multilevel yang dirancang untuk menyediakan fleksibilitas dalam mengeksploitasi sumber daya processor.

• Proses menyertakan ruang alamat pengguna, stack, & PCB

51

Proses Solaris

• Solaris memanfaatkan empat konsep thread-related:– Process: memasukkan ruang alamat

pengguna, stack dan PCB.– Thread user-level: unit eksekusi user-created

di dalam suatu proses.– Lightweight process: suatu pemetaan antara

thread ULT & kernel. – Thread kernel

52

Hubungan Proses & Thread

53

Unix vs Solaris Tradisional

Solaris replaces the processor state block with a list of

LWPs

54

Struktur Data LWP

• Suatu pengenal LWP • Prioritas dari LWP ini • Suatu signal mask • Nilai-nilai tersimpan dari register user-level • Kernel stack bagi LWP ini• Penggunaan resource & profiling data• Pointer ke thread kernel yang bersesuaian• Pointer ke struktur proses

55

Status Thread Solaris

56

Tugas (task) Linux

• Proses atau task direpresentasikan oleh suatu struktur data task_struct

• Ini mengandung sejumlah kategori, termasuk:– Status– Informasi penjadwalan (scheduling) – Pengenal (identifier)– Komunikasi antar-proses (IPC)– Dan lain-lain

57

Model Proses/Thread Linux

58

Tugas Pertemuan 4

• Uraikan jawaban Problems 3.1 & 3.2, 4.1 & 4.2

• Baca tutorial Thread Programming di Java & C/C++, buat rangkumannya, sebutkan sumber bacaan anda secara jelas!

• Jelaskan tentang Mikrokernel, mencakup kelebihannya, kinerja, rancangan, manajemen memory, komunikasi antar proses, manajemen I/O & Interupsi!