Multitasking in Betriebssystemen

Vorbemerkung: Begriffsklärung Programm vs. Prozess

• Programm: ein bestimmtes Stück Maschinencode, das zumeist auf der Festplatte vorgehalten wird
• Prozess: eine bestimmte Laufzeitinstanz eines Programms
• Prozess = Programm + zugehörige Daten im Speicher + zugehörige Berechtigungen etc.

Multitasking: Ausführung mehrerer Aufgaben zur selben Zeit oder abwechselnd in kurzen Zeitabschnitten

• konkurrente Ausführung: abwechselnd in kurzen Zeitabschnitten
• parallelle Ausführung: zur selben Zeit (z.B. Parallelbearbeitung mehrerer Daten in der GPU, Parallelität in mehreren CPU-Kernen); heute nicht so sehr im Fokus

Analogie: Multitasking beim Menschen

• Idee 1: tatsächlich parallele Ausführung, z.B. gehen und gleichzeitig sprechen
• Idee 2: Teilaufgaben an einer jeweils sinnvollen Stelle unterbrechen und während der Wartezeiten etwas anderes machen, z.B. Kochen/Backen (entspricht dem kooperativen Multitasking)
• Idee 3: Teilaufgaben nach einer bestimmten Zeit oder bei äußeren Ereignissen unterbrechen, z.B. Büroarbeit (entspricht dem präemptiven Multitasking)

kooperatives Multitasking: Prozesse unterbrechen sich selbst, wenn sich abzeichnet, dass sie warten müssen

• z.B. auf das Lesen von Daten von der Festplatte oder eine Antwort aus dem Netzwerk
• Problem 1: jedes Programm muss Unterbrechungspunkte enthalten
• Problem 2: unkooperative Programme (z.B. fehlerhafte oder Schadsoftware) können das gesamte System blockieren
• weit verbreitet in der Ära der frühen Heimcomputer (C64, DOS-PCs, Macs bis Mac OS 9)
• heute nicht mehr im Einsatz, da moderne Prozessoren interruptfähig sind und somit präemptives Multitasking möglich ist

präemptives Multitasking: Prozesse werden nach dem Ablauf ihrer zugeteilten Zeitscheibe unterbrochen, damit jemand anderes drankommen kann

• bevor der Prozess drankommt, stellt das Betriebssystem einen Hardware-Timer in der CPU
• nach Ablauf des Timers löst die CPU einen Interrupt (eine Unterbrechung) aus
• CPU unterbricht die Arbeit am Prozess und führt eine vom Betriebssystem definierte ISR (Interrupt Service Routine) aus
• ISR speichert den Zustand des Prozesses (insb. die Inhalte aller Prozessor-Register) und gibt die Ausführung zurück an den Scheduler
• um Prozess später wiederherzustellen, werden im Prinzip einfach alle Prozessor-Register auf die gesicherten Werte zurückgesetzt

Scheduler (Zeitplaner): Komponente des Betriebssystems, die den jeweils nächsten Prozess wählt, der laufen darf

• interne Buchführung des Schedulers unterscheidet zwischen lauffähigen und nicht lauffähigen Prozessen
• ist ein laufender Prozess nicht mehr lauffähig (weil auf I/O gewartet werden muss), kann er auch selbst einen Interrupt auslösen und wird dann im Scheduler als nicht lauffähig markiert
• nächster Prozess wird immer aus der Liste der lauffähigen Prozesse gewählt, nach Kriterien wie Priorität (z.B. Audio-Prozesse)
• gibt es keinen lauffähigen Prozess, kann die CPU bis zum nächsten Interrupt angehalten werden

Wie werden Prozesse wieder lauffähig?

• Eingabe von der Hardwareseite (z.B. Netzwerk, Festplatte) erzeugt ebenfalls Interrupts, auf die das Betriebssystem reagiert
• Eingabe von anderen Prozessen (z.B. via Pipes) landet direkt beim Betriebssystem
• Betriebssystem stellt die Daten dem entsprechenden Prozess bereit und markiert diesen wieder als lauffähig
• analog bei vollgelaufenen Ausgabepuffern