Multitâche
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En informatique, un système d'exploitation est dit multitâche (en anglais multi-task) s'il permet d'exécuter, de façon apparemment simultanée, plusieurs programmes sur un ordinateur. On parle également de multiprogrammation.
Le terme multitâche intervient au niveau logique (système d'exploitation) et est indépendant du nombre de processeurs présents physiquement dans l'ordinateur (multiprocesseur).
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[modifier] Concept
La simultanéité apparente est le résultat de l'alternance rapide d'exécution des processus présents en mémoire. Le passage de l'exécution d'un processus à un autre est appelé commutation de contexte. Ces commutations peuvent être initiées par les programmes eux-mêmes (multitâche coopératif) ou par le système d'exploitation lors d'événements externes (multitâche préemptif).
[modifier] Historique
Le premier ordinateur multitâche dans le monde a été conçu par la firme Bull en 1958. Il s'agissait du Gamma 60. Cet ordinateur ne possédait toutefois pas encore de langage de programmation (logiciel, software en anglais) à la hauteur des performances du système d'exploitation (matériel informatique, hardware en anglais).
Les systèmes multitâches se sont ensuite répandus dans le courant des années 1960 sous le nom de systèmes à temps partagé. Ils permettaient à plusieurs utilisateurs de travailler sur la même (grosse, selon les critères de l'époque) machine.
[modifier] Multitâche coopératif
Le multitâche coopératif est une forme simple de multitâche où chaque processus doit explicitement permettre à une autre tâche de s'exécuter. Il a été utilisé, par exemple, dans les produits Microsoft Windows jusqu'à Windows 3.11 ou dans Mac OS jusqu'à Mac OS 9. Cette approche simplifie l'architecture du système d'exploitation mais présente plusieurs inconvénients :
- Si un des processus ne redonne pas la main à un autre processus, par exemple si le processus est bogué, le système entier peut s'arrêter.
- Le partage des ressources (temps CPU, mémoire, accès disque, etc.) peut être inefficace.
- Le multitâche coopératif est une forme de couplage fort.
[modifier] Multitâche préemptif
Pour remédier à cette situation, les systèmes grand-public ont évolué pour utiliser une approche nommée « multitâche préemptif ».
Dans un tel système, le processeur signale au système d'exploitation que le processus en cours d'exécution doit être mis en pause pour permettre l'exécution d'un autre processus. Le système doit alors sauver l'état du processus en cours (le compteur ordinal, les valeurs des registres) ; le processus est placé dans une file d'attente ; lorsqu'il est en bout de file, son contexte d'exécution est restauré. À la différence du « multitâche coopératif », du point de vue des programmes préemptés, la commutation de contexte est transparente.
L'AmigaOS est un système multitâche préemptif depuis sa naissance en 1985. D'autres systèmes d'exploitation le sont devenus comme Windows (avec Windows 2000 en 2000) et MacOS x en 2001.
[modifier] Comparaison
Le multitâche préemptif est plus robuste que le multitâche coopératif : une tâche ne peut bloquer l'ensemble du système. Le système d'exploitation peut aussi utiliser plus efficacement les ressources disponibles, par exemple si des données sont disponibles via un périphérique d'entrée, le processus devant traiter ces données peut être immédiatement activé.
De plus, une tâche en attente de données ne consommera pas de temps processeur avant que ses données ne soient réellement disponibles.
Bien que, au départ, le multitâche ait été conçu pour permettre à plusieurs utilisateurs d'utiliser le même ordinateur, il est apparu très rapidement qu'il était très pratique même pour un seul utilisateur. Utiliser son traitement de texte favori tout en butinant sur le Web est de nos jours une caractéristique incontournable.
Une autre utilité du multitâche provient du fait qu'il est plus facile de concevoir et d'écrire plusieurs programmes simples, plutôt qu'un seul programme capable de tout faire, puis de les faire coopérer pour effectuer les tâches nécessaires.
Les algorithmes implémentant le multitâche ont été raffinés au cours du temps. Les systèmes modernes peuvent gérer des processus avec des priorités différentes ainsi que des ordinateurs comportant de un à quelques centaines de processeurs.
La technologie des processus légers (ou threads en anglais) a été permise grâce à la présence de gestionnaires de mémoire évolués. Les processus légers partagent toute ou partie de la mémoire d'un processus existant. Ce partage permet, entre autres, une commutation de contexte plus rapide et un partage de données plus efficace entre les processus légers. En contrepartie, de tels programmes peuvent être plus complexes et peuvent se montrer difficiles à mettre au point.
Une autre innovation clé a été l'introduction des niveaux de privilèges : les processus possédant un niveau de privilège bas ne peuvent pas effectuer certaines opérations, par exemple écrire sur des portions de mémoire vitales pour la sécurité du système.
Si un tel processus effectue une opération interdite, le programme est interrompu et un programme superviseur (souvent le système d'exploitation) préempte le processus en cours, puis l'arrête définitivement. Cette technique permet de créer des machines virtuelles où le système « réel » émule le fonctionnement d'une ou plusieurs machines virtuelles, par exemple afin d'accroître la sécurité (une machine virtuelle ne peut pas interférer avec une autre machine virtuelle).
