Gestion des processus et des fils d'exécution

En un seul clic, les utilisateurs finaux lancent des applications de manière transparente, appréciant la simplicité du processus (process). Vous êtes-vous déjà demandé ce qui gère l'application une fois lancée ? La réponse directe est l'OS. Un OS exécute de nombreux types d'activités, allant des programmes des utilisateurs, des tâches ou scripts d'arrière-plan, aux programmes système. Il existe de nombreux programmes système tels que les gestionnaires d'impression, les serveurs de noms et les serveurs de fichiers. Chacun de ces programmes ou activités est encapsulé dans un processus. Comme vous l'avez appris dans la section précédente, un processus est un programme en cours d'exécution qui possède un contexte d'exécution ainsi que l'instance d'exécution du programme lui-même. Des exemples de contexte d'exécution sont les compteurs ordinaux (PC), les registres, les VM cartes, les ressources de l'OS, et des exemples d'instance d'exécution sont le code et les données.

Voici d'autres concepts liés aux processus qui seront introduits ici et développés au fur et à mesure du chapitre :

• Un registre est une unité de stockage de mémoire à haute vitesse.
• Un processus peut être en état d'exécution (running state) (lorsqu'il est exécuté par le CPU), en état prêt (ready state) (lorsqu'il est en attente dans le CPU), ou en état bloqué (blocked state) (lorsqu'il attend qu'un événement se produise).
• Le module de processus de l'OS gère les processus via la création, la destruction et l'ordonnancement. Une façon pour un OS de contrôler l'accès à une ressource est par le biais d'un type de données appelé sémaphore (semaphore).
• La gestion du partage des ressources d'un système pour éviter les interférences et les erreurs est appelée synchronisation des processus (process synchronization).

Gestion de l'espace d'adressage et de l'espace mémoire

L'espace d'adressage (address space) est l'ensemble des adresses générées par les programmes lorsqu'ils référencent des instructions et des données. L'espace mémoire contient les emplacements réels de la mémoire principale qui sont directement adressables pour le traitement. L'OS est responsable de la gestion de ces espaces mémoire et d'adressage (Figure 6.6). Pour améliorer les performances, les ordinateurs utilisent l'espace d'adressage de mémoire virtuelle (virtual memory) pour créer l'illusion d'un grand bloc de mémoire continu que les applications et le système d'exploitation peuvent utiliser. Pour ce faire, la mémoire physique de l'ordinateur est utilisée en combinaison avec une partie d'un disque dur qui contient le fichier d'échange ou le fichier de pagination. Les pages contenant des informations sur l'espace d'adressage des programmes sont déplacées dans et hors de la mémoire physique selon les besoins pour s'assurer qu'il y a suffisamment de mémoire physique pour contenir les pages des programmes en cours d'exécution à un moment donné.

Figure 6.6 Les adresses des données seront dans l'espace d'adressage en attente d'exécution pour être déplacées vers l'espace mémoire. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

La mémoire informatique se compose de deux types principaux : la mémoire principale et la mémoire secondaire. Le point d'accès initial pour un processeur qui sert également de stockage direct pour le CPU est appelé mémoire principale (primary memory). Pour être exécutés, les programmes doivent résider en mémoire principale. Dans les systèmes multiprocesseurs, la mémoire principale peut être classée en trois architectures. La première, l'accès mémoire uniforme (UMA) (uniform memory access (UMA)), utilise un contrôleur de mémoire unique et, par conséquent, le temps d'accès à n'importe quel emplacement mémoire est le même pour tous les processeurs. La seconde, l'accès mémoire non uniforme (NUMA) (non-uniform memory access (NUMA)), est une conception de mémoire informatique qui utilise différents contrôleurs de mémoire, de sorte que son temps d'accès à la mémoire varie en fonction de l'emplacement de la mémoire par rapport à un processeur. La troisième, l'architecture de mémoire à cache seulement (COMA) (cache-only memory architecture (COMA)), utilise plusieurs nœuds de traitement interconnectés, chacun équipé d'un processeur (c'est-à-dire, un cache). Cela permet l'allocation (allocation) dynamique des données pour un accès et des performances optimisés dans les environnements multiprocesseurs.

La mémoire utilisée pour le stockage à long terme, abritant le système d'exploitation (operating system), les applications et les données qui doivent persister même lorsque l'alimentation est coupée, est appelée mémoire secondaire (secondary memory). Contrairement à la mémoire principale, qui est volatile et perd ses données lors des interruptions de courant, la mémoire secondaire est non volatile — ce qui signifie qu'elle conserve les données même en cas de panne de courant — et offre ainsi durabilité et rétention des données. Les exemples courants de mémoire secondaire incluent les disques durs (HDD) et les disques SSD.

Un OS doit satisfaire aux politiques concernant la quantité de mémoire physique à allouer à chaque processus (process) et le moment de retirer un processus de la mémoire. Il doit implémenter ces politiques en utilisant les mécanismes suivants : l'allocation de mémoire (memory allocation) et la désallocation de mémoire (memory deallocation). L'allocation de mémoire est le processus de réservation de sections de mémoire dans un programme pour stocker des variables et des instances de structures et de classes. L'allocation de mémoire peut être une allocation de mémoire statique ou une allocation de mémoire dynamique. La désallocation de mémoire est le processus de libération de l'espace correspondant aux processus terminés lorsque cet espace est nécessaire au reste du système. De plus, l'OS doit maintenir des mappages des adresses virtuelles aux adresses physiques (c'est-à-dire, les tables de pages) et changer le contexte du CPU entre les espaces d'adressage.

Pilotes de périphériques et périphériques d'I/O

Les ordinateurs disposent de nombreux périphériques d'entrée et de sortie tels que le clavier, la souris, l'écran ou le port USB. Certains exemples de périphériques spécifiques à l'OS incluent le système de fichiers (file system) (disque), les sockets (socket) (réseau) et le tampon d'image (vidéo). Un tampon d'image (frame buffer) est une portion de mémoire vive (random access memory) (RAM) contenant une image matricielle qui pilote un affichage vidéo. Une grande partie du noyau (kernel) de l'OS gère les I/O (Entrée/Sortie). L'OS fournit une interface standard entre les programmes/utilisateurs et les périphériques pour communiquer avec eux (Figure 6.7). Les routines d'un pilote de périphérique interagissent directement avec des types de périphériques spécifiques et le matériel associé pour initialiser le périphérique, demander des I/O et répondre aux interruptions ou aux erreurs. Une interruption (interrupt) est un signal envoyé au processeur par un logiciel ou un matériel, indiquant des événements nécessitant une attention immédiate. Les exemples de pilotes de périphériques incluent les pilotes de carte Ethernet, les pilotes de carte vidéo, les pilotes de carte son et les pilotes de périphériques PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), qui sont associés aux cartes graphiques et autres périphériques. Les pilotes de périphériques sont implémentés par les fabricants de périphériques ou les contributeurs open-source et prennent en charge une interface interne standard. Ils peuvent s'exécuter dans l'espace d'adressage (address space) de l'OS et s'exécuter avec des privilèges élevés.

Figure 6.7 Plusieurs périphériques d'I/O sont généralement connectés à un ordinateur. Lorsque l'utilisateur commence à utiliser une application, le système d'exploitation définira les périphériques utilisés par l'application en utilisant le pilote de chaque périphérique. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Les pilotes de périphériques sont des composants logiciels spécialisés qui permettent aux programmes informatiques de niveau supérieur d'interagir avec les périphériques matériels. Ces pilotes fournissent une interface logicielle aux périphériques matériels, permettant aux systèmes d'exploitation et autres applications informatiques d'accéder aux fonctions matérielles sans avoir besoin de connaître les détails précis du matériel utilisé.

• Au cœur de tout ordinateur se trouve le CPU, le composant principal responsable de l'exécution des instructions. Il est intéressant de noter que les CPU eux-mêmes ne nécessitent généralement pas de pilotes de périphériques externes pour un fonctionnement direct, car la gestion centrale des ressources du CPU est un rôle fondamental du système d'exploitation.
• La mémoire fonctionne sous la gestion directe du système d'exploitation, qui alloue et gère les ressources mémoire du système. La RAM peut être accédée de manière aléatoire et utilisée pour stocker temporairement des données pendant qu'un ordinateur est en cours d'exécution. Alors que les modules RAM standard — RAM dynamique et statique — ne nécessitent pas de pilotes distincts, le matériel mémoire spécialisé, tel que les dispositifs de mémoire flash, y compris les disques SSD, les clés USB et les cartes mémoire, interagit avec le système via des pilotes de système de fichiers qui gèrent l'organisation et l'accès aux données stockées.
• Les périphériques de stockage, englobant une large gamme de matériel allant des disques durs traditionnels (HDD) aux SSD modernes et aux supports de stockage amovibles, nécessitent des pilotes de périphériques pour faciliter les opérations de lecture/écriture de données.
• La connectivité réseau repose sur un ensemble de pilotes de périphériques conçus pour gérer les protocoles et les fonctions matérielles des interfaces réseau.

Registres de périphériques

Un registre de périphérique (device register) est l'interface qu'un périphérique présente à un programmeur, où chaque périphérique d'I/O apparaît dans l'espace d'adressage (address space) physique de la machine comme une adresse mémoire. Le système d'exploitation lit et écrit les registres de périphériques pour contrôler le périphérique. Il existe trois types de registres de périphériques : état, commande et données. Le registre d'état fournit des informations sur l'état actuel du périphérique (par exemple, lecture), le registre de commande émet une commande au périphérique (par exemple, écriture d'une valeur dans le registre), et le registre de données est utilisé pour transférer des données entre l'ordinateur et le périphérique. Les registres de périphériques utilisent des bits pour trois objectifs : les paramètres fournis par le CPU au périphérique, les bits d'état fournis par le périphérique, et les bits de contrôle définis par le CPU pour initier des opérations. La Figure 6.8 fournit un exemple du contenu de chacun des bits d'un registre de périphérique.

Figure 6.8 Les bits du registre de périphérique définissent le premier secteur à lire, l'état de l'opération et l'opération elle-même. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Le comportement des registres de périphériques est différent de celui des emplacements mémoire ordinaires. Par exemple, le bit de démarrage de l'opération peut toujours être lu comme 0, et les bits peuvent changer d'un état à l'autre (c'est-à-dire que le bit d'opération terminée peut changer sans être écrit par le CPU).

Le OS utilise le registre de périphérique pour communiquer avec un périphérique d'I/O comme suit :

1. Le CPU écrit dans les registres de périphériques pour démarrer l'opération.
2. Le CPU interroge le bit "prêt" dans le registre de périphérique.
3. Le périphérique met le bit "prêt" à 1 lorsque l'opération est terminée.
4. Le CPU charge l'adresse du tampon dans un registre de périphérique avant de démarrer l'opération pour définir où copier les données lues depuis le disque.
5. Les périphériques de stockage rapides déplacent les données directement vers/depuis la mémoire physique via l'accès direct à la mémoire (DMA) ; d'autres périphériques nécessitent l'intervention du CPU via des I/O programmées ou des I/O initiées par interruption.
6. Les interruptions permettent au CPU de faire d'autres travaux pendant que les périphériques fonctionnent, et l'OS détermine quel périphérique a interrompu.

Figure 6.9 représente le registre de périphérique d'un clavier. Notez qu'il a 2 octets (16 bits). Les données se trouvent dans le premier octet, et le second octet contient tous des zéros (c'est-à-dire, du bit 8 au bit 15). Lorsque l'utilisateur commence à taper, le bit "prêt", qui est le bit numéro 15, passe à 1.

Figure 6.9 Dans ce registre de périphérique pour un clavier, le bit "prêt" est mis à 1 lorsque l'utilisateur commence à utiliser le clavier. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Conception de OS monolithique

Une conception monolithique (monolithic design) fait référence à une architecture spécifique pour les OS où l'ensemble de l'OS fonctionne dans l'espace noyau, et tous les composants et fonctionnalités du système d'exploitation sont organisés dans cet espace. Dans une architecture monolithique, l'ensemble du système d'exploitation fonctionne comme une unité unique et intégrée, et tous ses composants, tels que la gestion des processus, les systèmes de fichiers, les pilotes de périphériques (device driver) et la gestion de la mémoire, résident et fonctionnent dans le même espace d'adressage (address space), connu sous le nom d'espace noyau. Cela signifie que l'ensemble de l'OS fonctionne comme un programme unique et volumineux, et que tout module ou composant peut appeler directement les fonctions d'un autre sans aucune restriction.

Bien qu'une conception monolithique simplifie la communication et l'interaction entre les composants de l'OS, elle présente à la fois des avantages et des inconvénients. Un avantage est qu'elle offre généralement une communication efficace et rapide entre les différentes parties de l'OS car elles partagent le même espace d'adressage. Un autre avantage majeur de la conception monolithique est qu'elle utilise un style architectural familier, et le coût des interactions entre modules en termes d'appels de procédure est faible. Cependant, il existe de nombreux inconvénients. Notamment, cette structure est difficile à comprendre, à modifier ou à maintenir, et ne prend pas en charge le confinement des pannes (fault containment). Une défaillance dans un composant peut potentiellement faire planter l'ensemble du système, le rendant moins tolérant aux pannes par rapport aux architectures plus modulaires. Dans ce cas, l'alternative est de trouver un moyen organisationnel de simplifier la conception et l'implémentation de l'OS.

Les OS traditionnels tels que UNIX (Figure 6.11) ont été construits en utilisant l'architecture monolithique. Contrairement aux conceptions monolithiques, d'autres architectures de OS telles que les micro-noyaux (microkernel) ou les conceptions hybrides distribuent les fonctionnalités de l'OS en modules séparés ou en processus d'espace utilisateur, ce qui conduit à une meilleure modularité et potentiellement à une meilleure stabilité du système.

Figure 6.11 L'ensemble de l'OS fonctionne comme une seule pièce dans l'architecture monolithique. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Conception de OS en couches

Une autre façon d'obtenir une conception de OS monolithique est l'architecture de système d'exploitation en couches (layered OS architecture), qui consiste à implémenter l'OS comme un ensemble de couches où chaque couche expose une "machine virtuelle (virtual machine)" améliorée à la couche supérieure, comme illustré dans la Figure 6.12.

Figure 6.12 Dans une architecture de OS en couches, l'OS est divisé en couches, et chaque couche sera responsable d'une tâche spécifique. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Le premier exemple d'approche en couches fut le système THE de Dijkstra, conçu en 1968. Il y avait six couches, organisées comme suit.

• Couche 5 : Un gestionnaire de tâches exécute les programmes des utilisateurs.
• Couche 4 : Un gestionnaire de périphériques (device manager) gère les périphériques et fournit la mise en tampon.
• Couche 3 : Un gestionnaire de console implémente des consoles virtuelles.
• Couche 2 : Un gestionnaire de pages (page manager) implémente des mémoires virtuelles pour chaque processus.
• Couche 1 : Un noyau implémente un processeur virtuel pour chaque processus.
• Couche 0 : Le matériel est constitué des composants physiques de l'ordinateur.

Chaque couche de cette configuration peut être testée et vérifiée indépendamment. La superposition a également aidé à l'implémentation et a soutenu les tentatives de vérification formelle de la correction (si vous ne pouvez appeler que les couches inférieures, il n'est pas possible de tomber dans une boucle à travers les différentes couches).

Il existe cependant de nombreux inconvénients à utiliser l'architecture de OS en couches. Notamment, elle impose une structure hiérarchique, alors que les systèmes réels sont plus complexes car un système de fichiers (file system) nécessite des services de mémoire virtuelle (virtual memory) (VM), et la VM aime utiliser des fichiers pour son stockage de sauvegarde. La superposition impose également une pénalité de performance car chaque passage de couche a un coût associé à l'application statique versus dynamique des restrictions d'invocation. Il y a aussi un décalage entre le modèle et la réalité, car les systèmes modélisés en couches peuvent ne pas être réellement construits de cette manière.

Abstraction matérielle

La couche d'abstraction matérielle (HAL) (hardware abstraction layer (HAL)) est un exemple de superposition dans les OS modernes, et elle permet à un OS d'interagir avec un périphérique matériel à un niveau général ou abstrait plutôt que d'entrer dans un niveau matériel détaillé, ce qui améliore la lisibilité et la maintenabilité. En général, l'objectif de la HAL est de séparer les routines spécifiques au matériel du cœur de l'OS. La HAL permet la portabilité du code central sur différentes pièces de matériel.

Micro-noyaux

Une autre conception de OS alternative à la conception de OS monolithique est l'architecture de micro-noyaux. Au sein d'un micro-noyau (microkernel), les fonctionnalités et les capacités sont ajoutées à un OS central minimal sous forme de plug-ins. L'architecture micro-noyau est également appelée architecture de plug-ins car les fonctionnalités sont ajoutées sous forme de plug-ins (Figure 6.13).

Figure 6.13 Dans l'architecture micro-noyau, le mode noyau est divisé en plusieurs plug-ins pour traiter les opérations. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

L'objectif d'une architecture micro-noyau est de minimiser ce qui entre dans le noyau et d'implémenter tout le reste qui va traditionnellement dans un OS en termes de processus de niveau utilisateur. Cela améliore la fiabilité (reliability) grâce à l'isolation entre les composants. De plus, il y a moins de code s'exécutant avec tous les privilèges, et une plus grande facilité d'extension et de personnalisation. Cependant, les performances sont généralement médiocres en raison des passages de la frontière utilisateur et noyau (kernel), ce qui représente un risque de sécurité lorsque le code du noyau opère sur les données.

Le premier système micro-noyau fut Hydra (CMU, 1970), suivi par Mach (CMU), Chorus (OS de type UNIX français) et OS X (Apple). L'OS Windows utilisait un micro-noyau, mais utilise maintenant une architecture de noyau hybride qui combine les avantages des architectures de OS monolithiques, micro-noyaux et plug-ins (Figure 6.14).

Figure 6.14 Le OS Windows en tant qu'architecture de plug-ins — dans l'OS Windows, toutes les applications sont en mode utilisateur, et les opérations de l'OS sont divisées en plug-ins en mode noyau. (source : Copyright Rice University, OpenStax, sous licence CC BY 4.0)

Infrastructure infonuagique et Exokernel

Deux concepts qui représentent chacun des avancées critiques dans le domaine de l'informatique en offrant différentes méthodologies pour l'abstraction des ressources, l'allocation (allocation) et la gestion sont l'infrastructure infonuagique et l'exokernel.

L'architecture exokernel (exokernel) simplifie le OS en rendant son cœur (noyau) très petit et en permettant aux applications d'avoir plus de contrôle sur le matériel de l'ordinateur. Contrairement aux systèmes habituels qui masquent les détails matériels, un exokernel montre ces détails aux applications, leur permettant d'utiliser le matériel de manière plus intelligente. De cette façon, il réduit les étapes inutiles et permet à chaque application de gérer les ressources à sa manière, ce qui peut améliorer les performances de l'ordinateur et une utilisation plus efficace de ses composants. Cette conception est particulièrement adaptée aux tâches informatiques spéciales où les applications peuvent réellement bénéficier de la gestion directe du matériel, ce qui peut conduire à de meilleures performances et à une utilisation plus efficace des composants de l'ordinateur. Plusieurs limitations sont associées aux exokernels. Ils manquent d'abstractions pour les services des systèmes d'exploitation, ce qui rend difficile d'atteindre une cohérence entre les applications. Ils exigent également qu'un développeur d'applications gère l'allocation et la protection des ressources et implémente des mécanismes de sécurité, ce qui soulève des préoccupations.

Les ressources matérielles virtualisées et évolutives qui sont livrées sur Internet en tant que service sont appelées infrastructure infonuagique (cloud infrastructure). Cette infrastructure englobe une gamme de composants, y compris les serveurs, les périphériques de stockage, l'équipement réseau et les logiciels de virtualisation (virtualization), tous hébergés dans des centres de données gérés par des fournisseurs de services infonuagiques. Contrairement à l'infrastructure physique traditionnelle, l'infrastructure infonuagique offre flexibilité, extensibilité et accessibilité, permettant aux utilisateurs d'accéder et de gérer les ressources informatiques à distance via Internet. L'infrastructure infonuagique est classée en trois modèles de service :

• Infrastructure as a Service (IaaS) fournit des ressources informatiques virtualisées sur Internet, telles que AWS EC2, Google Compute Engine et Microsoft Azure VMs.
• Platform as a Service (PaaS) offre des outils matériels et logiciels sur Internet, ciblant généralement les développeurs tels que Google App Engine et Microsoft Azure.
• Software as a Service (SaaS) fournit des applications logicielles sur Internet, accessibles depuis un navigateur web sans installation ni exécution sur les appareils personnels de l'utilisateur, tels que Google Workspace et Microsoft Office 365.

Les principaux inconvénients de l'infrastructure infonuagique sont les temps d'arrêt potentiels, les préoccupations en matière de sécurité et de confidentialité, la vulnérabilité aux attaques, le contrôle et la flexibilité limités, le verrouillage du fournisseur, les préoccupations de coût, les problèmes de latence, la dépendance à Internet, les problèmes techniques, le manque de support, les problèmes de bande passante et les performances variées.