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Séquence 9 — Processus & Système d'exploitation§

Source principale : https://lyotardjulien.forge.apps.education.fr/terminale-specialite-nsi-au-lycee-notre-dame/08_sequence_8/08_sequence_8/ Ressources liées : https://lyotardjulien.forge.apps.education.fr/bifurcation-site-coilhac-term/processus/1_processus/

Périmètre officiel BO Terminale

Le BO Terminale demande spécifiquement : création de processus, ordonnancement, mise en évidence de l'interblocage (deadlock). Le détail des primitives de synchronisation (sémaphores, mutex), la communication inter-processus, le fork() en C et le multiprocessing Python sont hors programme NSI — on s'en tient au mécanisme conceptuel.

TL;DR§

  • Un système d'exploitation (OS) fait le pont entre le matériel (CPU, mémoire, périphériques) et les applications. Ses 3 rôles centraux : gestion de la mémoire, ordonnancement des processus, gestion des accès aux ressources.
  • Un processus est une instance d'un programme en cours d'exécution (≠ programme = fichier sur disque).
  • Un processus traverse 5 états : nouveau → prêt → élu → bloqué → terminé. L'ordonnanceur (scheduler) décide qui obtient le CPU.
  • Identification : PID (Process IDentifier), PPID (parent), table des processus, contexte d'exécution.
  • Interblocage (deadlock) : situation où plusieurs processus s'attendent mutuellement indéfiniment ; les 4 conditions de Coffman doivent être réunies.
  • Analogie : programme = partition, processus = musicien, processeur = instrument.

Plan de la séquence§

  1. Le système d'exploitation : définition, rôles (mémoire, ordonnancement, ressources).
  2. Programme vs processus.
  3. États d'un processus + transitions (diagramme).
  4. Identification : PID, PPID, table des processus, contexte.
  5. Création de processus (mécanisme).
  6. Concurrence et ressources critiques (notion).
  7. Interblocages : conditions de Coffman, graphe d'allocation.
  8. Outils d'observation : ps, top, gestionnaire de tâches.

Notions clés§

1. Système d'exploitation (OS)§

Ensemble de programmes qui :

  • charge les programmes depuis la mémoire de masse vers la RAM,
  • crée et ordonnance les processus,
  • gère les ressources (CPU, mémoire, fichiers, périphériques),
  • traite les interruptions matérielles et les entrées-sorties,
  • assure la sécurité (droits d'accès, isolement mémoire).

Exemples : Windows, macOS, Ubuntu, Debian, Android, iOS.

2. Mémoire virtuelle§

Chaque processus dispose d'un espace d'adressage virtuel isolé. L'OS traduit les adresses virtuelles en adresses physiques. Cela évite qu'un processus n'écrase la mémoire d'un autre.

3. Programme vs processus§

Programme Processus
Fichier exécutable sur disque Instance en exécution en mémoire
Statique (suite d'octets) Dynamique (état, registres, pile)
Existe une seule fois Le même programme peut être lancé N fois → N processus distincts

Lancer deux fois Firefox crée deux processus différents avec deux PID différents, deux espaces mémoire séparés.

Note rapide : un thread est un fil d'exécution interne à un processus, partageant sa mémoire. La distinction n'est pas un attendu du bac NSI.

4. États d'un processus§

État Signification
nouveau processus créé, en cours d'initialisation
prêt (ready) en attente du CPU, prêt à s'exécuter
élu (running) utilise le CPU, exécute ses instructions
bloqué (waiting) attend un événement (E/S, donnée réseau, frappe clavier)
terminé exécution achevée, ressources à libérer

Attention : un processus « en attente » = prêt (attend le CPU). Un processus « bloqué » = attend un événement extérieur.

5. Identification§

  • PID : entier unique attribué à chaque processus par l'OS.
  • PPID : PID du processus parent (celui qui a créé l'enfant).
  • Contexte : registres CPU, compteur ordinal, pile, état mémoire — sauvegardé lors d'un changement de contexte (commutation).
  • Table des processus : structure du noyau qui liste tous les processus actifs.

6. Ordonnanceur (scheduler)§

Le CPU mono-cœur ne fait qu'une instruction à la fois. L'ordonnanceur partage le temps CPU entre les processus prêts (illusion de simultanéité = multitâche ou time-sharing).

Principes : on alterne rapidement entre les processus prêts via une commutation de contexte. Le détail des politiques (FIFO, Round Robin, priorités) n'est pas un attendu du bac.

7. Création de processus§

Lorsqu'un processus crée un autre processus (par exemple, ouvrir un programme depuis le shell, ou un programme qui lance un sous-programme), l'OS :

  1. Alloue un nouveau PID,
  2. Recopie ou initialise un espace mémoire pour l'enfant,
  3. Inscrit le PPID de l'enfant = PID du parent,
  4. Place l'enfant dans l'état prêt.

Sous Unix, l'appel système qui réalise cela est fork() (mécanisme — la syntaxe C précise est hors programme NSI).

8. Ressources critiques (notion)§

Une section critique est un morceau de code qui accède à une ressource partagée (fichier, variable, imprimante). Si plusieurs processus y accèdent en même temps sans coordination, on peut obtenir des incohérences (par exemple : deux processus qui débitent en même temps un compte bancaire).

L'OS fournit des mécanismes pour assurer un accès exclusif à la ressource, mais le détail (sémaphores, mutex) n'est pas au programme NSI.

9. Interblocage (deadlock)§

Situation où plusieurs processus s'attendent mutuellement indéfiniment. C'est le seul aspect explicitement listé au BO.

Conditions de Coffman (les 4 réunies = deadlock) :

  1. Exclusion mutuelle : la ressource ne peut être utilisée que par un processus à la fois.
  2. Occupation et attente : un processus garde des ressources tout en en attendant d'autres.
  3. Non-préemption : on ne peut pas retirer de force une ressource à un processus.
  4. Attente circulaire : il existe une chaîne circulaire P1→P2→…→Pn→P1 où chaque Pi attend une ressource détenue par Pi+1.

Représentation : graphe d'allocation (sommets = processus + ressources, arcs = demande / possession). Un cycle dans ce graphe ⇒ deadlock.

Vocabulaire (table)§

Terme Définition courte
OS / Système d'exploitation Logiciel qui pilote le matériel et fait tourner les applications
Noyau (kernel) Cœur de l'OS, mode privilégié, gère mémoire, processus, E/S
Processus Instance d'un programme en cours d'exécution
PID Process IDentifier, entier unique
PPID PID du processus parent
Contexte Ensemble des registres et données nécessaires pour reprendre un processus
Ordonnanceur Module de l'OS qui choisit le prochain processus à exécuter
Multitâche Exécution apparemment simultanée de plusieurs processus
Préemption L'OS retire le CPU à un processus pour le donner à un autre
Commutation de contexte Sauvegarde de l'état d'un processus + restauration d'un autre
Mémoire virtuelle Espace d'adressage propre à chaque processus
Section critique Code accédant à une ressource partagée
Interblocage / Deadlock Blocage mutuel de processus en attente circulaire
Famine (starvation) Un processus prêt n'obtient jamais le CPU

Outils d'observation (Linux)§

ps                # processus du terminal courant
ps aux            # tous les processus, format BSD
top               # affichage dynamique, rafraîchi toutes les 3 s
pstree            # arborescence parent → enfants

Tuer un processus :

kill 1234         # envoie SIGTERM, demande poliment l'arrêt
kill -9 1234      # envoie SIGKILL, arrêt immédiat non interceptable

Diagramme Mermaid — États d'un processus§

stateDiagram-v2
    [*] --> Nouveau : création
    Nouveau --> Pret : admis
    Pret --> Elu : ordonnanceur sélectionne
    Elu --> Pret : préemption / fin de quantum
    Elu --> Bloque : attend E/S ou événement
    Bloque --> Pret : événement reçu
    Elu --> Termine : fin / exit()
    Termine --> [*]

Diagramme Mermaid — Graphe d'allocation (deadlock)§

graph LR
    P1((P1)) -->|demande| R2[R2]
    R1[R1] -->|détenue par| P1
    P2((P2)) -->|demande| R1
    R2 -->|détenue par| P2
    classDef proc fill:#fdd,stroke:#900;
    classDef res fill:#dfd,stroke:#090;
    class P1,P2 proc;
    class R1,R2 res;

Le cycle P1 → R2 → P2 → R1 → P1 révèle un interblocage : P1 attend R2 que P2 détient, P2 attend R1 que P1 détient.

Pièges classiques au bac§

  1. Confondre programme et processus : un programme est un fichier ; un processus est une instance en exécution. Le même programme peut donner N processus.
  2. Dire « le CPU exécute plusieurs processus en même temps » sur un mono-cœur : faux. Il alterne très vite (illusion de simultanéité). Vrai parallélisme ⇒ multi-cœurs.
  3. Confondre « en attente » (= prêt) et « bloqué » (= attend un événement). Un processus prêt veut le CPU ; un bloqué attend une E/S.
  4. Croire qu'un processus passe directement de bloqué à élu : non, il repasse par prêt.
  5. Penser qu'un seul deadlock = 1 condition de Coffman : il en faut les 4 simultanément.
  6. Confondre famine et interblocage : famine = un processus n'a jamais le CPU mais le système avance ; deadlock = plus rien n'avance.
  7. Oublier le rôle de l'OS : ce n'est pas qu'une interface graphique, c'est avant tout un gestionnaire de ressources.

Questions types§

  1. Définir : programme, processus. Donner deux différences entre les deux.
  2. Citer et expliquer les 5 états d'un processus. Tracer le diagramme de transitions.
  3. À quoi sert un PID ? un PPID ?
  4. Décrire le rôle de l'ordonnanceur. Qu'est-ce qu'une commutation de contexte ?
  5. Donner les 4 conditions de Coffman pour un interblocage.
  6. Sur un graphe d'allocation donné, repérer le ou les cycles et conclure sur l'existence d'un deadlock.
  7. Différence entre concurrence et parallélisme. Un mono-cœur fait-il du parallélisme ?
  8. Citer trois rôles de l'OS et un mécanisme garantissant l'isolation mémoire entre processus.

Liens§