Code de déblocage du chapitre :

Les systèmes d'exploitation (Operating System)

Généralité

Le système d’exploitation d’un ordinateur est chargé d’assurer les fonctionnalités de communication et d’interfacage avec l’utilisateur. Un OS est un logiciel dont le principal domaine d’intervention est la gestion de toutes les ressources de l’ordinateur comme:

C'est donc une composante logicielle très importante.

Dans un ordinateur,les logiciels sont divisés en deux catégories:

Découvrons en 3 minutes le rôle du système d'exploitation.

Voici quelques exemples de système d'exploitation:

Principaux types de système d'exploitation

Un OS est dit de " monoprogrammation " lorsqu'un seul utilisateur est présent et a accès à toutes les ressources de la machine pendant tout le temps que dure son travail. Si cet utilisateur exécute plusieurs programmes, ils le seront les uns à la suite des autres.

A titre d’exemple, supposons que sur un tel système 4 utilisateurs exécutent chacun un programme : P1, P2, P3 et P4. L’OS ne permet le passage des programmes que un à un :

.

Ici le programme P2 ne pourra s'exécuter que lorsque le programme P1 sera terminé, et ainsi de suite

Relativement aux temps d’attente, un système de monoprogrammation est très injuste vis à vis des petits programmes.

Un OS est dit de " multiprogrammation " lorsque plusieurs utilisateurs peuvent être présents en " même temps " dans la machine et se partagent les ressources de la machine pendant tout leur temps d’exécution.

La multiprogrammation est la capacité d'un système d'exécuter à la suite plusieurs activités sans l'intervention de l'utilisateur. Elle apparue dans les années 1960.

En reprenant l’exemple, P1, P2, P3, P4, sont exécutés cycliquement par l’OS qui leur alloue les ressources nécessaires (disque, mémoire, fichier,...) pendant leur tranche de temps d’exécution.

.

Ici les programmes vont s'exécuter de façon cyclique

Relativement aux temps d’attente, un système de multiprogrammation rétablit une certaine justice entre petits et gros programmes.

A l'heure actuelle, tous les OS sont issus de la multiprogrammation. Par exemple, elle est apparue dans la famille Windows avec Win98

Question :
Quel est le rôle du système d’exploitation ?
Réponses :
Allumer le disque dur.
Compiler et exécuter un programme.
Partager la machine physique entre les différents programmes et bâtir une IHM accessible à l’utilisateur.
Gérer les accès du disque dur.

Les processus

Notion de contexte d'éxécution d'un programme

Lorsqu'un programme qui a été traduit en instructions machines s'exécute, le processeur central lui fournit toutes ses ressources (registres internes, place en mémoire centrale, données, code,…), on appelle cet ensemble de ressources mises à disposition d'un programme "son contexte d'exécution. ".

Processus et ordonnancement

Un processus est l'image en mémoire centrale d'un programme s'exécutant avec son contexte d'exécution.

Un ordinateur possède un ou plusieurs processeurs, qui sont eux-même constitués de plusieurs unités de calcul, les coeurs. C'est le système d'exploitation qui va donner à un processus l'accès à une unité de calcul, cela s'appelle l'ordonnancement. Les processus ne quiteront cette dernière que si:

Lorsqu'une unité de calcul est libre, c'est le système d'exploitation qui va déterminer un nouveau processus à affecter à l'unité de calcul. Pour cela il existe plusieurs algorithmes d'ordonnancement :

Afin de savoir si un algorithme est préférable pour un ensemble de processus, nous devons connaître quelques définitions.

Représentation de l'ordonnancement

Réaliser l'ordonnancement d'une succession de processus c'est compléter un tableau de ce processus:

Processus P1 P2 P3 ...
Durée en quantum ... ... ... ...
Date d'arrivée ... ... ... ...
Temps de terminaison ( optionnel ) ... ... ... ...
Temps d'execution ... ... ... ...
Temps d'attente ... ... ... ...

On détermine aussi le temps d'attente moyen d'attente et le temps d'execution moyen.

Pour illustrer les définitions qui suivent nous allons traiter un ordonnacement avec le modèle SJF

Processus P1 P2 P3 P4 P5
Durée en quantum 3 6 4 2 1
Date d'arrivée 0 1 4 6 7
Temps de terminaison ( optionnel )
Temps d'execution
Temps d'attente

Le schéma d'ordonancement de ces processus sur le modèle SJF est le suivant :

l'image arrive prochainement

Temps d'arrivée

Le temps d'arrivé d'un processus, ou temps de soumission, correspond au moment où le processus arrive dans la file d'attente.

Le temps d'arrivée du processus $P_5$ est 7. Celui de $P_4$ est 6.

durée du processus

La durée du processus P, ou durée d'exécution sur le coeur, correspond à la durée en quantum P nécessaire à l'execution du processus.

La durée du processus $P_5$ est 1. Celui de $P_4$ est 2.

Temps de terminaison.

Le temps de terminaison d'un processus P est la durée écoulée entre le temps 0 et le temps où le processus est terminée P

Processus P1 P2 P3 P4 P5
Durée en quantum 3 6 4 2 1
Date d'arrivée 0 1 4 6 7
Temps de terminaison ( optionnel ) 3 9 16 12 10
Temps d'execution
Temps d'attente

Temps d'exécution ou temps de séjour

Le temps d'exécution du processus P, ou temps de séjour, correspond à la différence du temps d'arrivée de P et du temps de terminaison de P.

Processus P1 P2 P3 P4 P5
Durée en quantum 3 6 4 2 1
Date d'arrivée 0 1 4 6 7
Temps de terminaison ( optionnel ) 3 9 16 12 10
Temps d'execution/Temps de Séjour 3 8 12 6 3
Temps d'attente

Temps d'attente

Le temps d'attente d'un processus P ou durée d'attente du processus P correspond à la différence entre le temps de séjour(=temps d'execution) et la durée du processus.

Processus P1 P2 P3 P4 P5
Durée en quantum 3 6 4 2 1
Date d'arrivée 0 1 4 6 7
Temps de terminaison ( optionnel ) 3 9 16 12 10
Temps d'execution/Temps de Séjour 3 8 12 6 3
Temps d'attente 3-3=0 2 12-4=8 4 3-1=2

Actuellement,la plupart des systèmes d’exploitation utilise une évolution du modèle priorité,reposant sur les principes suivants :

Processus P1 P2 P3
Durée en quantum 8 5 9
Date d'arrivée 8 3 0

Représenter l'ordonnancement des processus ci-dessus à l'aide du modèle FIFO.

Code de déblocage de la correction :

Processus P1 P2 P3 P4
Durée en quantum 8 5 9 2
Date d'arrivée 4 0 3 7

Représenter l'ordonnancement des processus ci-dessus à l'aide du modèle SJF.

Code de déblocage de la correction :

Processus P1 P2 P3
Durée en quantum 8 5 9
Date d'arrivée 1 0 3

Représenter l'ordonnancement des processus ci-dessus à l'aide du modèle RR.

Code de déblocage de la correction :

Processus P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7
Durée en quantum 8 5 9 2 6 8 4
Date d'arrivée 1 0 2 3 4 6 5

Représenter l'ordonnancement des processus ci-dessus à l'aide du modèle Round Robin.

Code de déblocage de la correction :

Processus P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7
Durée en quantum 8 5 9 2 6 8 4
Date d'arrivée 1 0 2 3 4 6 5

On considère les processus ci-dessus. Quel algorithme, parmi les trois que l'on a étudié, permet l'exécution la plus rapide.

Code de déblocage de la correction :

Processus: état et fonctionnement

Processus: état

Un processus peut-être dans les états suivants:

L'état nouveau (ou création): chargement des instructions, allocation de mémoires et des ressources (statiquement), il passe directement à l’état prêt. Il existe 4 événements pour créer un processus :

Lors de sa création, un numéro unique d'ientification est attribué à chaque processus, c'est l'dentifiant de processus ou PID (Process IDentifier). Grâce à cet identifiant, nous pourrons appliquer différentes commandes sur le processus.

L’état prêt : Le processus est prêt à être exécuté. Il est mis en attente jusqu’à ce qu’on lui libère le processeur (dispatch de l’Ordonnanceur), il passera alors à l’état Actif

L’état actif (ou élu) :

L’état attente (ou bloqué): Le processus est en attente d’une ressource pour terminer. Dès sa libération il repasse à l’état Prêt

L’état zombie : Le processus a terminé son exécution et il ne peut plus évoluer mais les ressources qu’il a allouées ne sont pas libérées

L’état destruction : Lors de la destruction le processus libère les ressources allouées. Il y a quatre causes possibles de la destruction d’un processus :

Processus: fonctionnement

Un processus va trouver à sa disposition un grand nombre de ressources, comme la RAM, les disques durs, les supports amovibles (clés USB,..), les fichiers, ....

Lorsqu'un processus est dans l'état actif (ou élu), dans des conditions normales de fonctionnement, il ne peut utiliser une ressource qu’en suivant la séquence de tris étapes suivante:
Requête – Utilisation - Libération

Lorsqu'un processus a fait une requète et que la ressource n'est pas disponible pour le moment, il va passer de l'état actif à l'état d'attente, le temps que la ressource se libère. Quand la ressource sera disponible, il devra attendre que le processus qui l'a remplacé soit terminé pour poursuivre son exécution.

Notion d'interblocage

Il est assez facile d'illustrer le phénomène d'interblocage en classe. Nous allons demander à deux élèves de tracer un cercle au tableau. On donne le compas au premier et le feutre au second. Les deux élèves vont se trouver dans uns situation d'attente interminable puisque le premier élève attend que la ressource feutre soit libre, et le second attent que la ressource tableau soit libre.

Dans un ordinateur le même phénomène peut se produire entre plusieurs processus, c'est l'interblocage.

Un ensemble de processus est dans une situation d’interblocage si chaque processus de l’ensemble attend un événement qui ne peut être produit que par un autre processus de l’ensemble.

Un système possède une instance unique et libre de chacun des deux types de ressources R1 et R2. Un processus P1 détient l’instance de la ressource R1 et un autre processus P2 détient l’instance de la ressource R2. Pour suivre son exécution, P1 a besoin de l’instance de la ressource R2, et inversement P2 a besoin de l’instance de la ressource R1. Une telle situation est une situation d’interblocage.

Dans un interblocage, les processus ne terminent jamais leur exécution et les ressources du système sont immobilisés, empêchant ainsi d’autres travaux de commencer.

Losqu'un processus attend indéfiniment une ressource on dit qu'il est dans une situation de famine.

Quatre conditions sont nécessaires à l'interblocage:

Les processus avec Windows

Microsoft Windows est architecturé en services (processus) fonctionnant en arrière-plan. Il est possible d'afficher facilement la liste des processus en cours dans le gestionnaire des tâches en appuyant simultanément sur CTRL+SHIFT+ESC, ou en executant directement taskmgr.exe dans la barre de recherche

Si vous lancez le gestionnaire de tache pour la première fois, vous serez peut-être amené à cliquer sur "Plus de détails " en bas à Gauche de la fenètre.

Vous verez alors une fenètre avec six onglets

Dans l'onglet Processus, vous verez tous ceux s'executant sur votre machine, ainsi que les ressources qu'ils consomment. On distingue trois catégories:

Par un simple clic droit sur son nom, suivi de fin de tâche on peut facilement tuer un processus, c'est très pratique lorqu'un programme ne répond plus.

Dans l'onglet Performance, nous pouvons voir graphiquement les resources utilisées

Dans l'onglet Historique des applications, nous pouvons voir les resources utilisées par application

Dans l'onglet Démarrage, nous pouvons voir toutes les applications qui se lancent au démarrage de Windows

Dans l'onglet Utilisateur, nous pouvons voir tous les utilisateurs connectés sur la machine, par un simple clic droit sur son nom on peut le déconnecter

Dans l'onglet Détails, nous pouvons voir le PID des processus et leurs statuts

Lancer la calculatrice Windows, relever son PID et son statut.

Reduiser la calculatrice dans la barre des tâches. Son PID a-t-il changé? son staut?

Code de déblocage de la correction :

Dans l'onglet Services, nous pouvons voir tous les services et leurs statuts (un service est un processus qui est démarré par le système d'exploitation et qui s'exécute dans une session distincte. Un service est un processus sans interface utilisateur

Parmi ces processus un grand nombre sont des processus système faisant partie intégrante de Windows et certains correspondent à des applications tierces. Ainsi lorsque le système d'exploitation semble "ramer" il peut être intéressant de déterminer quel est le processus consommant le plus de ressources.

D'autre part la présence de vers, virus, chevaux de Troie, spywares, et AdWares sur le système est généralement trahie par la présence de processus suspects, c'est la raison pour laquelle ils prennent souvent un nom proche d'un processus système réel afin de passer inaperçu (par exemple system32.exe au lieu de system32.dll, isass.exe au lieu de lsass.exe).

Cependant Microsoft fournit des outils plus complets pour l'étude des processus Windows comme Process Explorer et Process Monitor

Pour télécharger Process Explorer c'est ici

Pour télécharger Process Monitor c'est ici

Process Explorer est un gestionnaire de tâches évolué qui permet de faire beaucoup de choses. La fonction première est d'afficher et lister les processus en cours d'exécution. Mais on peut aussi les terminer ou les suspendre

Process Explorer va encore plus loin car il donne accès aux handles(un handle est un ID identifiant de maniere unique un objet windows), DLL(bibliothèque qui contient du code et des données pouvant être utilisés simultanément par plusieurs processus) chargées/ouvertes par chaque processus. Enfin l'outil peut aussi aider à visualiser l'utilisation CPU, mémoire, GPU et disque globale et par application.

Les processus avec linux

Sous linux, les deux principales commandes pour visualiser les processus sont top et ps, la différence étant que l'on utilise top dans un terminal et ps dans un script où il est combiné à d'autres commandes.

A la différence de la partie précédente sous Windows, nous allons travailler en ligne de commandes.

La première étape est de reprendre votre VM et de relire le cours de l'an dernier sur les commandes linux'. Voici le lien

Lancer la VM et ouvrir un terminal avec ctrl + alt + F3 et ctrl + alt + F2 pour revenir au bureau.

La commande top

Saisir la commande top, elle est l'équivalent du gestionnaire de tâches de Windows. Elle apporte donc des renseignements sur la consommation mémoire, CPU, tous les processus en cours,... Elle apporte des statistiques de consommation en temps réel, une mise à jour est effectuée toutesles 5 secondes environ.

Voici quelques commandes que vous pouvez exécuter directement au clavier lorsque la commande top est lancée:

Ajouter la colonne qui donne le PPID(Parent Process id).

Code de déblocage de la correction :

Remplacer la colonne Time+ par la colonne Time.

Code de déblocage de la correction :

Lancer Firefox puis relevez son PID et le nom de COMMAND qui lui est associé

Code de déblocage de la correction :

La commande pidof

pidof cherche les PID (Process ID) des processus portant l'un des noms de programme indiqués.

Il suffit de saisir pidof suivi du nom de COMMAND du processus

Chercher les PID de Firefox.

Code de déblocage de la correction :

La commande kill

Cette commande permet d'arrêter un processus

Il suffit de saisir kill suivi du PID du processus que l'on veut arrêter.

A patir desPID de Firefox, éxecutez la commande kill sur chaque d'entre eux, et vérifier à chaque fois si Firefox est toujours lancé.

Code de déblocage de la correction :

Une variante pour arrêter un processus est d'utiliserpkill.

Faites une recherche pour utiliser pkill, puis vérifiez en utilisant Firefox.

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