Multitasking

Der BegriffMultitasking[ˌmʌltiˈtɑːskɪŋ] (engl.) bzw.Mehrprozessbetriebbezeichnet die Fähigkeit einesBetriebssystems,mehrere Aufgaben (Tasks) (quasi-)nebenläufigauszuführen. Im Allgemeinen bietet derProzessorhierzu auch unterstützendeHardware-Strukturen. Die verschiedenenProzessewerden in so kurzen Abständen immer abwechselnd aktiviert, dass der Eindruck der Gleichzeitigkeit entsteht. Multitasking ist somit eine Variante einesZeit-Multiplexverfahrens.Besitzt ein Computer mehrere CPU-Kerne, so dass er mehrere Aufgabenecht-gleichzeitigausführen kann, so spricht man vonMultiprocessing.In modernen Computern werden beide Verfahren kombiniert eingesetzt.

Zweck des Multitasking

Multitasking kann bei verschiedenen Anforderungen nützlich sein, insbesondere bei der Optimierung der Auslastung und für eine je nach Zielsetzung ausgeglichene oderprioritätsbasierteRessourcenverteilung.

Der Grundgedanke hinter der „Optimierung der Auslastung “ist der, dass in einem durchschnittlichen Rechner der überwiegende Teil der Rechenzeit nicht genutzt werden kann, weil häufig auf verhältnismäßig langsame, externe Ereignisse gewartet werden muss (beispielsweise auf den nächsten Tastendruck des Benutzers). Würde nur ein Prozess laufen (zum Beispiel die wartende Textverarbeitung), so ginge diese Wartezeit komplett ungenutzt verloren (siehe „aktives Warten“). Durch Multitasking kann jedoch dieWartezeiteines Prozesses von anderen Prozessen genutzt werden.

Ist ein Rechner bzw. seine Rechenzeit demgegenüber größtenteils ausgelastet, beispielsweise durch einzelne rechenintensive Prozesse, so können dennoch mehrere Benutzer oder Prozesse anteilige Rechenzeit erhalten, anstatt auf das Ende eines anderen Prozesses warten zu müssen. Dies kommt insbesondere auch der Interaktivität zugute.

Da das System zugleich für die verschiedenen Prozesse Prioritäten berücksichtigen kann, ist eine entsprechende Gewichtung möglich, je nach Zielsetzung. Ein Server kann zum Beispiel die Dienste bevorzugen, welche er anbieten soll, jedoch direkte Benutzer-Interaktionen niedrig priorisieren. Ein Desktop-PC wird umgekehrt vor allem die Ein- und Ausgaben von/an den Benutzer bevorzugen, und dafür Hintergrund-Prozesse etwas zurückstellen.

Vorläufer und Entwicklung

Multiprogrammierung und TSR-Programme

Vorläufer des Multitasking ist dieMultiprogrammierungmit dem Ziel einer höheren CPU-Auslastung im Gegensatz zur sequenziellen Ausführung der Aufgaben beiStapelverarbeitung.Bei der Multiprogrammierung findet der Kontextwechsel der Programme mit dem Zugriff auf periphere Geräte statt, da dabei zwangsläufig Wartezeit entsteht. Erste Ansätze basieren auf dem Konzept vonChristopher Stracheyaus dem Jahr 1959. Praktisch umsetzen ließen sich solche Konzepte aber erst mit leistungsfähiger Hardware, bei der mit der Interruptsteuerung die Entwicklung vonTSR-Programmenmöglich wurde.

Allgemeiner Ablauf

Der technische Ablauf beim Multitasking ist im Prinzip immer gleich.

Als wichtige Grundvoraussetzung des Multitaskings gilt im Allgemeinen, dass ein Prozess, der zugunsten eines anderen unterbrochen wird, nichts über diesen anderen (oder ggf. auch mehrere andere) „wissen “muss. Dies wird meist erreicht, indem jeder Prozess einen eigenen sogenanntenProzesskontextbesitzt, der seinen Zustand beschreibt. Ein Prozess ändert immer nur seinen eigenen Prozesskontext, niemals den eines anderen Prozesses.

In der Regel wird der gesamte Prozesskontext (der Zustand des Prozesses) beim Unterbrechen gespeichert, z. B. auf demStapelspeicher(englischStack). Er bleibt so lange gespeichert, bis der betreffende Prozess wieder Rechenzeit erhalten soll. Unmittelbar bevor dieser Prozess wieder aktiv wird, wird der gespeicherte Zustand wieder geladen, sodass es für den Prozess so erscheint, als sei er überhaupt nicht unterbrochen worden; unabhängig davon, ob, wie viele und was für Prozesse in der Zwischenzeit ausgeführt worden sind. Dieses Umschalten zwischen einzelnen Prozessen wird als „Taskwechsel“bezeichnet.

So kann ein Prozess bei der weiteren Ausführung nach der Unterbrechung wieder seine definierte Umgebung vorfinden, auch wenn zwischenzeitlich andere Prozesse ausgeführt wurden.

Beim kooperativen Multitasking ähnelt der Taskwechsel stark dem Aufruf von Prozeduren bzw. Funktionen in derprozeduralen Programmierung.

Kooperatives Multitasking

Beim „kooperativen Multitasking “wird das Multitasking durch eine zentrale Prozessverwaltung im Systemkernel realisiert: ein einfacher, sogenannterScheduler.Der Scheduler sichert den Prozesskontext des gerade unterbrochenen Tasks, wählt den nächsten Prozess aus, der Rechenzeit erhalten soll, stellt dessen Prozesskontext her und gibt den Prozessor dann an diesen neuen Prozess ab. Der Scheduler kann Listen mit verschieden priorisierten Tasks führen, und niedrig priorisierte entsprechend selten aufrufen. Dabei kann auch die bereits verbrauchte Rechenzeit eines Tasks berücksichtigt werden. In der Regel werden Betriebssystem-interne Aufgaben zuerst erledigt, bevor ein neuer Task den Prozessor erhält. Es ist jedem Prozess selbst überlassen, wann er die Kontrolle an den Kern zurückgibt; in der Regel wird zumindest jede Dienst-Anforderung an das Betriebssystem mit einem Taskwechsel verbunden.

Vorteil dieser Methode ist, dass viele Systemfunktionen (z. B. die Ausgabe) nichtwiedereintrittsfähigsein müssen und daher nicht synchronisiert sein müssen, was eine erhebliche Vereinfachung für den Hersteller bedeutet. (Unterbrechungsroutinenmüssen jedoch stets dieses Problem lösen.) Diese Form des Multitasking hat ebenso wie das TSR-Konzept den Nachteil, dass Programme, die nicht kooperieren, das restliche System zum Stillstand bringen. Gründe für solches Programmverhalten können sein:

• im Programm enthaltene Fehler;
• durch den Programmierer gewollte Fehlfunktion eines Systems;
• gewollte (vorteilhafte) „Alleinherrschaft “des Programms, zum Beispiel für eine zeitkritische Anwendung wie ein Computerspiel.

Das Konzept wurde zum Beispiel eingesetzt

• beimApollo Guidance Computer
• beiWindows 3.x:Unter diesem System wird Multitasking nur teilweise unterstützt, da nur die jeweiligen Speicherbereiche nebeneinander existieren und die Anwendungen im Hintergrund zugunsten des aktiven Programms einfach angehalten werden.
• bei vielenHeimcomputernwie zum Beispiel demAtari ST.
• in grafischen Oberflächen fürMS-DOSunddazu kompatibles DOS.
• System 5–Mac OS 9
• (eingeschränkt) in erweitertenTSR-ProgrammenfürPC-kompatibles DOS.

Diese Form des Multitasking ist prinzipiell schnell und ressourcenschonend sowie technisch verhältnismäßig einfach realisierbar. Für multiuserfähige Großrechner war es nie eine praktikable Alternative und wurde z. B. unterUnixnie eingesetzt, da ja ein Benutzer mittels unkooperativem Programm alle anderen blockieren könnte. Auch in den neueren Windows-Betriebssystemen derNT-Linieund inMac OS Xwird diese inzwischen als veraltet geltende Technik nicht eingesetzt. Teilweise unterstützen sie ähnliche Funktionalität begrenzt zum Beispiel alsUser Mode Threads,jedoch in jedem Fall nur eingebettet in präemptivem Multitasking.

Präemptives Multitasking

Basis der heutzutage standardmäßig angewendeten Methode ist daspräemptive Multitasking:

Der gerade laufende Prozess wird nach einer bestimmten Abarbeitungszeit (seinem „Zeitschlitz“,auchZeitscheibe,engl.time slice) durch denInterrupteines Hardware-Timers unterbrochen. DieInterrupt Service Routine(Teil des Betriebssystems) unterbricht den Prozess und sichert seinen Prozesskontext – der Prozess wird „schlafen gelegt “; dann übergibt sie an denScheduler– das Betriebssystem hat (wieder) die Kontrolle erlangt. Sofern kein Betriebssystem-eigener Ablauf ansteht, wählt der Scheduler nun einen rechenbereiten Prozess aus (ggf. denselben, der gerade unterbrochen wurde), stellt dessen Prozesskontext wieder her, startet den Hardware-Timer und übergibt dann an den Prozess.

Meist wird jedem Prozess eine „absolute “Zeitscheibe zugewiesen (alle Zeitscheiben haben die gleiche, feste Dauer; üblicherweise wenige Millisekunden); alternativ wird ihm pro definierter Zeiteinheit ein bestimmter Prozentteil dieser Zeiteinheit zugewiesen (z. B. abhängig von seiner Priorität), den er höchstens nutzen kann (die Länge der Zeitscheibe wird also jedes Mal neu bestimmt). Sollte er bereits vor Ablauf seiner Zeitscheibe eine Funktion des Betriebssystems benötigen, so wird er sogleich angehalten und als „nicht rechenbereit “markiert, bis das Betriebssystem den gewünschten Dienst erbracht hat. Nur als „rechenbereit “markierte Prozesse erhalten Prozessorzeit-Zuteilungen.

Auswahl des nächsten Prozesses

Eine beliebte Umsetzung des präemptiven Multitaskings ist die Verwendung einerVorrangwarteschlangein Verbindung mit derRound-Robin-Scheduling-Strategie.Es gibt auch die Prozessorzuteilung abhängig von derTaskpriorität,vor allem beiEchtzeitsystemenz. B.MicroC/OS-II.Für das Multitasking spielt das nur eine untergeordnete Rolle, da präemptives Multitasking die Kernel- bzw. Prozessorkontrolle über die Prozesse beschreibt.

Notwendige Hardware-Unterstützung

Hardwareseitigbenötigt präemptives Multitasking im Gegensatz zur kooperativen Variante (vergl.TSR-Programmals Vorläufer) zwingend einen Interrupterzeuger (meist einZeitgeber) im geeigneten Prozessor, da das System softwareseitig keine Möglichkeit hat, Prozessen die Kontrolle über den Prozessor zu entziehen. Der Zeitgeber sendet regelmäßig oder nach Ablauf einer eingestellten Zeit ein Signal (Interrupt) an dieCPU,was sie zur Unterbrechung des aktuell laufenden Tasks und zur Ausführung der Betriebssystem-Interrupt-Service-Routine veranlasst.

Speicherschutz

Moderne Betriebssysteme arbeiten darüber hinaus mit einem Speicherschutz, der verhindert, dass verschiedene Prozesse sich im Speicher gegenseitig beeinflussen oder gar überschreiben. Diese Schutzfunktion übernimmt im PC dieMemory Management Unit(MMU), welche die Virtualisierung desHauptspeichersund verschiedeneBerechtigungslevel (Ringe)oder auch Modi (Kernel-Mode versus User-Mode) ermöglicht und so dem Betriebssystem erlaubt, verschiedene parallele Prozesse innerhalb des Rechners voneinander strikt abzukapseln. Im PC kam die MMU erstmals in Rechnern miti286-Prozessoren von Intel zum Einsatz. Diese Technik ist aber für Multitasking im engeren Sinne nicht zwingend notwendig.

Geschichte

Die ersten weit verbreiteten Computersysteme, die präemptives Multitasking beherrschten, waren derSinclair QL(1984) und derCommodoreAmiga(1985) im Heimbereich (beim Amiga ohne Speicherschutz/Privilegierung und somit „aushebelbar “), sowie zuvor die unterUnixbetriebenen Großrechenanlagen. Windows beherrscht erstmals in den3.x-Versionenteilweise präemptives Multitasking, dort allerdings nur fürDOS-Programme und das auch nur dann, wenn sie auf einem System mit einemi386-kompatiblen Prozessor ausgeführt werden, da dieser in solchen Fällenhardwareseitige Virtualisierungermöglicht. Moderne Betriebssysteme, die präemptives Multitasking vollständig unterstützen, sindWindows NT(und alle Nachfolger),QNX,BeOSund alle auf Unix basierenden Systeme wieLinux,HP-UX,Solaris,macOSu.v.m.

Abgrenzung zum Time-Sharing

Außerdem muss man zwischen Time slicing (Zeitscheiben-Verfahren) undTime-Sharingunterscheiden, letzteres gestattet mehreren Benutzern bzw. deren Prozessen (z. B. auf Datenbankservern oder Großrechnern mit Terminalzugriff) sich automatisch anteilig die verfügbare Rechenzeit zu teilen.Während sich also beim Multitasking mehrere Prozesse eines einzelnen Users die Rechenzeit teilen können, wird beim Time-Sharing die Zeit eines Prozesses auf mehrere Benutzer verteilt.

Präemptibles Multitasking

Eine Sonderform des präemptiven Multitasking ist das weniger bekanntePräemptible Multitasking(englische SchreibweisePreemptible Multitasking), das erstmals im BetriebssystemOS/2implementiert wurde. Viele Betriebssystem-eigene Kernel-Routinen werden als Scheduler-Threads geführt; somit können Anwendungsprozesse auch Zeitschlitze erhalten, während eigentlich eine Betriebssystem-Aktion ausgeführt wird (mit Ausnahmen für atomare OS-Prozesse).Das Konzept ermöglicht schnellere Reaktionszeiten. Mit Version 2.6 hat es in denLinux-KernelEingang gefunden,wo zwischen präemptiblen und präemptiven Multitasking gewählt werden kann.

Siehe auch

• Multithreading
• Hyper-Threading

Literatur

• C. Strachey:Time Sharing in Large Fast Computers. Proceedings of the International Conference on Information Processing.UNESCO, 1959.
• Klaus D. Thies:Echtzeit-Multitasking: Der Kernel – Elementare Einführung in die parallele Systemprogrammierung.Shaker-Verlag, Aachen,ISBN 978-3832248673.

Weblinks

Wiktionary: Multitasking– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen