Unidade 1-2

Processos e Threads

O que é um Processo

• Um processo é uma atividade (ou tarefa) de um programa, que contém o código e dados de uma atividade.

• Essas são: leitura de dados, escrita de dados, cálculos no processador, comunicação com o usuário, comunicação com um BD, comunicação com a rede interna ou externa, entre outras.

Processos

– Um trecho de código em execução em uma máquina.

– É a unidade de processamento concorrente que um processador sob um SO pode processar.

– Identificado pelo seu PID (Process Identifier).– Unix (anos 70) foi construído para executar

processos.

Problema com Processos

• Nos anos 80, foi descoberto que a noção tradicional de um sistema operacional, de um processo que executa um único fluxo de execução, era diferente dos requisitos dos sistemas operacionais distribuídos.

• Solaris (anos 90), originalmente, utiliza processos.

Problema com Processos

• E também, diferente dos requisitos dos aplicativos mais sofisticados que utilizam um único processador, mas que exigem concorrência de suas atividades internas.

Problema com Processos

• O processo tradicional torna complicado e dispendioso o compartilhamento de recursos entre atividades relacionadas.

Solução para o Processamento Concorrente

• Aprimorar a noção de processo, para que ele pudesse ser associado a múltiplas atividades internas a ele.

Surgimento de Threads

• Com o surgimento de processadores de mais alto desempenho, uma nova unidade de processamento concorrente pode ser definida dentro do próprio processo, novos fluxos de execução e assim pode-se ter múltiplos fluxos de execução (múltiplas threads) num mesmo processo.

• Cada fluxo de execução é chamada Thread.

Threads

• Atualmente, um processo consiste em um ambiente de execução, contendo uma ou mais threads.

• Thread: unidade de processamento concorrente nos sistemas operacionais atuais.

Contexto de um Processo • Um identificador do processo (PID).• Um segmento de código.• Um segmento de dados.• Os valores dos registradores da CPU.• Um contador de programa lógico.• Uma pilha de execução.• O estado do processo.• Informações para escalonamento (prioridade, tempo)• Dados para contabilização de uso.• Recursos alocados: arquivos, portas, eventos, outros.

Processo

• Um processo é uma entidade a nível de kernel.

• O único modo para seu programa acessar a dados na estrutura (contexto) de um processo, consultar ou mudar seu estado, é via uma chamada de sistema.

Contexto de uma Thread• Um identificador da Thread.• Um segmento de código.• Um segmento de dados.• Os valores dos registradores da CPU.• O contador de programa.• Uma pilha de execução.• O estado da Thread.• Informações para escalonamento (prioridade, ...)• Dados para contabilização de uso.• Recursos alocados: arquivos, portas, eventos, outros.

Threads

• Definição:– Threads (linhas de execução) são atividades

(tarefas internas) concorrentes executadas dentro de um processo.

– Um processo pode ter uma ou mais threads.

Multithreading

• Múltiplas threads executam concorrentemente em um processo, e é análogo a múltiplos processos executando concorrentemente em um único processador.

• Threads pertencentes a um mesmo processo, compartilham os mesmos recursos e memória (espaço de endereçamento) do processo.

Multithreading

• Suporte a Threads:– Threads nativas do SO (entidades a nível de kernel).– Threads como entidades a nível do usuário.

– Suporte de programação multithreading. Exemplo: JVM do Java

– Linguagem de programação multithreading. Exemplo: Java

Três Processos - cada um com uma Thread

Cada thread tem seu espaço de endereçamento.

Contador de Programa

Thread

Processo

Um Processo com três Threads

• Todas num mesmo espaço de endereçamento.

Multiplas Threads

Processo

Processos e Threads

• Um confeiteiro. • O confeiteiro é o processador.• Um Livro de Receitas é um processo.• Uma receita corresponde a uma Thread.• Fazer um bolo de aniversário.• Ingredientes: farinha, ovos, açucar, ...• Os ingredientes são os dados.

Programa, Processo e Thread

• O processo é a atividade que consiste em nosso confeiteiro ler a receita (Thread), buscar os ingredientes (Thread), bater o bolo (Thread) e cozinhar o mesmo (Thread).

Alternando para outro processo

• Confeiteiro, Filho do confeiteiro, Abelha

• Ferrada da abelha no filho do confeiteiro.

• Confeiteiro precisa socorrer o filho.

• O confeiterio registra onde estava na receita (o estado e o contexto do processo são salvos).

Alternando para outro processo• Confeiteiro procura um livro de pronto-socorro

(outro processo). • Segue a orientações do livro.

• O Confeiteiro alterna do processo (Livro de Receitas para Fazer o Bolo) para outro, de prioridade mais alta (Administrar cuidado Médico), cada um sendo um processo diferente (receita e livro).

Processo é uma atividade

• Quando a picada for tratada, o confeiteiro volta a fazer o seu bolo, continuando do ponto onde parou, quando abandonou o processo (Fazer o Bolo).

• A ideia é que processo é um tipo de atividade que é concorrente a outros processos.

• E em cada atividade (Livro de Receitas/Livro Pronto-Socorro) existem outras tarefas, para “Fazer um Bolo” ou “Um Atendimento Médico”, que correspondem às threads.

Escalonamento de Threads

• Todo SO tem um programa chamado Scheduler (o escalonador do SO) que seleciona, num dado instante, uma thread que deve ser executada pelo processador, alternando este entre threads.

Algoritmo de Escalonamento

– Define a ordem de execução de processos/ threads com base em uma fila ou prioridade da thread.

– Processos/Threads do sistema SO e de aplicações críticas exigem maior prioridade.

– Em geral, os sistemas operacionais adotam uma política para atender a todas os processos/threads de maneira justa .

Escalonamento por Time-Slicing

• Fracionamento de tempo do processador.

• Divide o tempo do processador entre threads de igual prioridade.

• Implementado por um Timer (hardware) o qual interrompe o processamento periodicamente, para permitir o scheduler buscar uma outra thread para executar.

Escalonamento Time-Slicing

– Por Processo: escalonador aloca tempo para execução dos processos, os quais definem como usar este tempo para executar suas threads.

P1 P2 P3 t11 t12 t21 t22 t23 t31 t32– Por Thread: escalonador aloca tempo e define a

ordem na qual as threads serão executadas. t11 t31 t21 t32 t23 t12 t22 t16

Escalonamento Pre-Emptivo

• Baseado nas prioridades dos processos/threads.

• Deve ser implementado para garantir que um processo/thread de alta prioridade possa executar logo que torna-se pronto, mesmo que signifique suspender a execução de um processo de mais baixa prioridade.

Mudança de Contexto• Processos/Threads escalonadas mudam de contexto.

• O processo/thread em execução é suspenso, e um outro processo passa a ser executado.

• Ocorre por determinação do escalonador ou quando o processo/thread que estava sendo executado é suspenso.

• O contexto do processo/thread suspenso deve ser salvo para retomar a execução posteriormente.

Ciclo de Vida de um Processo/Thread

Criado

Pronto

Rodando

Morto

Suspenso

Estados de um Processo/Thread

• Pronto: pronto para ser executado, mas sem o direito de usar o

processador.

• Rodando: sendo executado pelo processador.

• Suspenso: aguarda operação de I/O, liberação de um recurso ou fim de tempo de espera em uma fila.

Estado Suspenso

• Dormindo – em espera temporizada.

• Bloqueado – aguarda I/O.

• Em Espera - aguarda uma condição ser satisfeita.

Mudança de Estado de um Processo

• Processos/Threads trocam de estado de acordo com o:– Algoritmo de escalonamento.– Troca de mensagens entre esses.– Interrupções de hardware ou software.

Threads

• Da mesma forma que os processos.

• Cada thread tem seu estado e segue um ciclo de vida particular.

• A vida da thread depende do seu processo.

Troca de Contexto

• Quando duas threads de um mesmo processo se alternam no uso do processador, ocorre uma troca de contexto parcial.

• Numa troca parcial, o contador de programa, os registradores e a pilha devem ser salvos.

Troca de Contexto

• Uma troca de contexto parcial é mais rápida que uma troca de contexto entre processos.

• Uma troca de contexto completa é necessária quando uma thread de um processo que não estava em execução assume o processador.

Processos x Threads

• Troca de Contexto: Completa | Parcial

• Comunicação: Inter-Processo | Inter-Threads

• Suporte em S.O.’s: Quase todos | Os mais atuais

• Suporte em Linguagem de Programação: Quase todas | As mais recentes