procesos e hilos- parte 1
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Este documento contiene la explicación de un proceso en un Sistema operativo.TRANSCRIPT
Procesos e Hilos
Estamos a punto de emprender un estudio detallado de cómo los sistemas operativos son diseñados y construidos.Bienvenidos!!
Procesos
Consideremos un servidor a donde convergen las peticiones de páginas Web provenientes de todo lado.
Cuando llega una petición el servidor verifica si la página está en la caché. De ser así devuelve la página.
Si no está en la caché inicia una petición al disco para obtenerla. (dada la velocidad de la CPU esta petición tarda eternidades)
Mientras la petición se ejecuta muchas peticiones concurrentes pueden ejecutarse, sobre el mismo disco u otros.
Lo importante es Modelar y controlar la Concurrencia
Procesos
En una PC: Mientras arranca el
Sistema Operativo, en secreto se ejecutan:▪ Correo electrónico.▪ Actividades que
comprueban la disponibilidad de nuevas versiones de virus…..
Mientras navega en la Web:▪ Quema CDs▪ Imprime archivos
Procesos
En cualquier sistema de multiprogramación, la CPU conmuta de un proceso a otro con rapidez, dando la apariencia de paralelismo o pseudoparalelismo.
El modelo del proceso
El modelo del proceso
Todo el software ejecutable en la computadora, en el que se incluye el sistema operativo se organiza en varios procesos secuenciales.
Un proceso es una instancia de un programa en ejecución, incluyendo los registros , contador de programa y variables.
En concepto cada proceso tiene su CPU virtual, aunque la CPU real conmuta de un proceso a otro.
El modelo del proceso (a) Esta figura
muestra una computadora multiprogramando 4 programas en memoria.
El modelo del proceso (b) Lista 4 procesos cada
una con su propio flujo de control, con su contador de programa lógico y cada uno ejecutándose en forma independiente.
Desde luego que solo hay un contador de programa físico por lo que cuando se ejecuta cada proceso se carga su contador de programa lógico en el contador de programa real.
El modelo del proceso (c) En la figura podemos
ver que en un intervalo suficientemente largo todos los procesos han progresado, pero en cualquier momento dado solo hay un proceso en ejecución.
El modelo de proceso
La CPU conmuta rápidamente entre un proceso y otro, la velocidad a la que el proceso ejecuta sus cálculos no es reproducible, aunque se ejecuten los mismos procesos de nuevo.
Diferencia entre proceso y programa.
Instrucciones para hacer el pastel . (programa)
El hacer el pastel siguiendo las instrucciones es el proceso.
Los ingredientes son los datos.
Procesos – programas - prioridad Si al estar haciendo el
pastel , llega su hijo llorando por que le picó una abeja, el cocinero deja de hacer el pastel y abre un libro de primeros auxilios, en este momento pasó a un proceso de mayor prioridad, cuando termine volverá y continuará con el anterior proceso.
CREACIÓN DE UN PROCESO Los Sistemas Operativos necesitan cierta
forma de crear y terminar procesos, según sea necesario durante la operación:
Hay 4 eventos principales que provocan la creación de procesos: El arranque del sistema. La ejecución, desde un proceso, de una
llamada al sistema para creación de procesos. Una petición de Usuario para crear un proceso. El inicio de un trabajo por lotes.
CREACIÓN DE UN PROCESO Arranque del
sistema (1): Cuando arranca el
SO se crean varios procesos,:▪ En primer plano: Es
decir procesos que interactúan con los usuarios (humanos) y realizan trabajo para ellos.
CREACIÓN DE UN PROCESO Arranque del sistema:
Cuando arranca el SO se crean varios procesos (2):▪ En segundo Plano: son los
que no están asociados con usuarios sino con funciones específicas Ejemplo: manejar actividades como correo electrónico, para avisar que llega un correo entrante, aceptar peticiones entrantes de páginas Web, noticias, impresiones etc. Estos se conocen como demonios (daemons).
▪ Los sistemas grandes tiene docenas de ellos.
▪ Verlos en Administrador de tareas
CREACIÓN DE UN PROCESO La ejecución desde un
proceso en ejecución: Un proceso a menudo llama
al sistema para crear uno o más procesos, para que le ayuden a realizar su trabajo.
Ejemplo para obtener una gran cantidad de datos desde la red para su posterior procesamiento:▪ Se creará un proceso para
obtener datos y colocarlos en un buffer compartido,
▪ Mientras un segundo proceso remueve los datos del buffer y los procesa.
En un multiprocesador esto se realiza con mayor rapidez.
CREACIÓN DE UN PROCESO Petición de un
usuario para crear un proceso: El usuario puede
crear un proceso con un doble clic en un ícono.
CREACIÓN DE UN PROCESO Procesamiento por
lotes: Aplica a mainframes
grandes. Los usuarios pueden
enviar trabajos de procesamiento por lotes al sistema, (posiblemente en forma remota).
El sistema operativo decide que tiene los recursos para ejecutar otro trabajo, crea el proceso y ejecuta el siguiente de la cola.
Terminación de procesos
Una vez que se crea el proceso, comienza a ejecutarse y realiza el trabajo al que está destinado.
Las condiciones de término son: Salida normal (voluntaria). Salida por error (voluntaria). Error fatal (involuntaria). Eliminado por otro proceso
(involuntaria).
Terminación de procesos
Salida Normal. Exit Process, en
windows. Exit en Unix.
Procesadores de palabras, exploradores y otros, todos tienen un ícono para indicar que todos los archivos se cierren y termine.
Terminación de procesos
Salida por Error. Por ejemplo si el
usuario escribe el comando para ejecutar el programa y no existe dicho archivo.
Terminación de procesos
Error Fatal: Ejecución de una
instrucción ilegal, hace referencia a una dirección de memoria que no existe.
División por 0. Algunos programas
permiten tomar control de ese ese error y no terminar el proceso.
Terminación de procesos
Eliminado por otro proceso: Un proceso puede
solicitar al SO que elimine otros procesos.
Los procesos deberían tener la autorización necesaria, para realizar la eliminación.
Cuando un proceso termina, todos los procesos creados se eliminan de inmediato también.
Jerarquías de Procesos
En algunos sistemas, cuando un proceso crea a otro, el proceso padre y el proceso hijo continúan asociados.
El proceso hijo puede crear por si mismo más procesos, formando una jerarquía de procesos.
Jerarquías de Procesos
Unix tiene el concepto de jerarquía de procesos.
Un proceso nunca deshereda a otro.
Jerarquías de Procesos
Windows no tiene el concepto de jerarquía de procesos. Todos los procesos son
iguales. Una jerarquía de
procesos, se simula, cuando se crea un proceso el padre recibe un indicador especial, un token (llamado manejador) que puede utilizar para controlar al hijo.
Tiene la libertad de pasar ese indicador a otros procesos, con lo cual invalida la Jerarquía. (deshereda)
Estados de un proceso
Aunque cada proceso, es una entidad independiente, con su propio contador de programa y estado interno, a menudo los procesos necesitan interactuar con otros.
Un proceso puede generar otra salida que otro proceso utiliza como entrada.
Estados de un proceso
Cuando un proceso se bloquea, lo hace debido a que por lógica no puede continuar, comúnmente porque está esperando una entrada, que todavía no está disponible.
En este caso la suspensión es inherente al problema.
Estados de un proceso
También es posible que un proceso, que esté listo en concepto y pueda ejecutarse, se detenga debido a que el SO decidió asignar la CPU a otro proceso por cierto tiempo.
En este segundo caso es un tecnicismo del sistema, no hay suficientes CPU como para otorgar a cada proceso un procesador privado.
Estados de un proceso
Los tres estados en los que se puede encontrar un proceso son: En ejecución (usando la
CPU en ese instante) Listo (ejecutable, se
detuvo temporalmente para dejar que se ejecute otro proceso) No hay una CPU para él.
Bloqueado (no puede ejecutarse sino hasta que ocurra cierto evento externo). No puede ejecutarse aunque haya una CPU disponible.
Estados de un proceso
Hay cuatro transiciones disponibles entre estos tres estados.
Transición 1. ocurre cuando el SO descubre que el proceso no puede continuar. En algunos sistemas el
proceso ejecuta una llamada al sistema como Pause.
En otros como Unix solo se bloquean automáticamente.
Estados de un proceso
Transiciones 2 y 3. son producidas por el planificador de procesos, una parte del SO, sin que el proceso sepa siquiera acerca de ellas. La transición 2 ocurre cuando
el planificador, decide que el proceso en ejecución se ha ejecutado el tiempo suficiente y es momento de dejar que otro proceso tenga parte del tiempo de la CPU.
La transición 3 ocurre cuando todos los demás procesos han tenido su parte del tiempo de la CPU y es momento de que el primer proceso obtenga la CPU para ejecutarse de nuevo.
Estados de un proceso
Transición 4. ocurre cuando se produce el evento externo por el que un proceso estaba esperando, como la llegada de ciertos datos de entrada. Si no hay otro proceso en
ejecución en ese instante se activa la transición 3 y el proceso empieza a ejecutarse.
Caso contrario debe esperar en estado listo por unos instantes, hasta que la CPU esté disponible y sea su turno de utilizarla.
Estados de un proceso
El nivel más bajo del SO es el planificador, con una variedad de procesos encima de él.
Todo el manejo de las interrupciones y los detalles relacionados como el iniciar y detener los procesos se ocultan en el planificador.
El resto del SO está estructurado en procesos.
1 2 …. n--2 n-1
Planificador
Implementación de Procesos Para implementar el
modelo de procesos el SO mantiene una tabla (un arreglo de estructuras), llamada Tabla de procesos, con solo una entrada por cada proceso (llamadas bloques de control de procesos)
Una entrada contiene información importante acerca del: estado del proceso, Incluyendo su contador de
programa y Su apuntador de pila, Asignación de memoria, Archivos abiertos, Información de contabilidad
y planificación y mas…Y todo lo que debe guardar
cuando cambia del estado en ejecución a listo,
Implementación de los procesosAdministración de Procesos
Administración de memoria Administración de archivos
Registros Apuntador a la información del segmento de texto Directorio Raíz
Contador del programa Apuntador a la información del segmento de datos. Directorio de trabajo
Palabra de estado del programa.
Apuntador de la información del segmento de pila. Descripciones de archivos
Apuntador de la pila ID de usuario
Estado del proceso ID de Grupo
Prioridad
Parámetros de planificación
ID del proceso
Proceso Padre
Grupo de Procesos
Señales
Tiempo de inicio del proceso
Tiempo utilizado de la CPU
Tiempo de la CPU utilizada por el hijo
Hora de la siguiente alarma.
Campos clave en un sistema típica en la tabla de procesos
Implementación de los procesos
Para explicar como la ilusión de varios procesos secuenciales se mantiene en una o en varias CPU.
Con cada clase de E/S hay una ubicación asociada (por lo general una ubicación cerca de la parte final de la memoria) a la cual se le llama vector de interrupción.
Esta ubicación contiene la dirección del procedimiento de interrupciones
Implementación de los procesos Suponga que el proceso de usuario 3 está
en ejecución cuando ocurre una interrupción de disco.
El contador de programa, la palabra de estado del programa y algunas veces uno o más registros del proceso del usuario 3 se meten en la pila(actual), mediante el hardware de interrupción. Esto es todo lo que hace el hardware.
De aquí en adelante todo depende del software y en especial del servicio de interrupciones.
Implementación de los procesosTodas las interrupciones empiezan
por guardar los registros a menudo en la entrada de la tabla de procesos para el proceso actual.
Después, se quita la información que la interrupción metió en la pila y el apuntador de pila se establece para que apunte a una pila temporal utilizada por el manejador de procesos.
Implementación de los procesosLas acciones como guardar los
registros y establecer el apuntador de pila no se pueden expresar ni siquiera en un lenguaje de alto nivel, por lo que se realizan en lenguaje ensamblador, que por lo general es la misma para todas las interrupciones, ya que el trabajo de guardar los registros es idéntico, sin importar cual sea la causa de la interrupción.
Implementación de los procesos Cuando termina esta rutina llama a un
procedimiento en el lenguaje en el que fue programado el SO, para realizar el resto del trabajo, para este tipo de interrupción específico.
Cuando ha terminado su trabajo y talvés ocasionando que algún otro proceso esté entonces listo, el planificador es llamado para ver que proceso se debe ejecutar a continuación.
Implementación de los procesosDespués de eso, el control se pasa
de vuelta al código en lenguaje ensamblador para cargar los registros y el mapa de memoria para el proceso que entonces es el actual y se empieza a ejecutar.
En el cuadro de la siguiente diapositiva, se sintetiza el manejo de interrupciones, y la planificación del proceso.
Implementación de procesos
1. El hardware mete el contador de programa a la pila.
2. El hardware carga el nuevo contador de programa del vector de interrupciones.
3. Procedimiento en lenguaje ensamblador guarda los registros.
4. Procedimiento en lenguaje ensamblador, establece una nueva pila
5. El servicio de interrupciones de C se ejecuta (Por lo general lee y guarda la entrada en el buffer)
6.El planificador decide que proceso se va a ejecutar a continuación.
7. El procedimiento en C regresa al código del ensamblador
8. Procedimiento en lenguaje ensamblador inicia el nuevo proceso actual.
Implementación de Procesos
Cuando el proceso termina, el sistema operativo muestra un carácter indicador y espera un nuevo comando.
Cuando recibe el comando, carga un nuevo programa en memoria, sobre escribiendo el anterior.
Modelación de la Multiprogramación
Cuando se utiliza la multiprogramación, el uso de la CPU se puede mejorar.
Dicho de otra manera: si el proceso realiza cálculos solo el 20 por ciento del tiempo que está en la memoria, con cinco procesos en memoria a la vez la CPU deberá estar ocupada todo el tiempo.
Sin embargo, este modelo es demasiado optimista, ya que se supone que los 5 procesos, nunca estarán esperando la E/S al mismo tiempo.
Modelación de la Multiprogramación
Un mejor modelo es analizar el uso de la CPU de un modo probabilístico.
Si un proceso gasta una fracción p esperando a que se complete una operación de E/S.
Con n procesos en memoria a la vez, la probabilidad de que todos los n procesos estén esperando la E/S (en cuyo caso, la CPU estará inactiva) es pn
Modelación de la Multiprogramación
Entonces, el uso de la CPU se obtiene mediante la fórmula:
Uso de la CPU= 1-pn Ejemplo: Suponga que una computadora, tiene
512 MB de memoria, de la cual el SO ocupa 128 MB y cada programa ocupa otros 128MB.
Estos tamaños permiten que hayan 3 programas de usuario en memoria a la vez. Con un promedio de 80% de tiempo de espera de E/S. la utilización de la CPU (ignorando la sobrecarga del SO) de 1-0.83 o de aproximadamente 49 por ciento.
Modelación de la Multiprogramación
Si agregamos 512MB más de memoria, el sistema puede pasar de la multiprogramación de tres vías a una multiprogramación de siete vías, con lo cual el uso de la CPU se eleva hasta el 79%. En otras palabras, los 512MB elevarán el rendimiento el 30%.
Modelación de la Multiprogramación
Si volvemos a agregar otros 512MB el uso de la CPU solo se incrementaría del 79 al 91% , con lo cual se elevaría el rendimiento solo el 12% adicional.
De acuerdo a este modelo, se diría que la primera inversión es buena inversión pero la segunda no.
Bibliografía
Sistemas Operativos ModernosAndrew Tanenbaum3 edición2009