Procesos e hilos- Parte 1

Procesos e HilosEstamos a punto de emprender un estudio detallado de cómo los sistemas operativos son diseñados y construidos.Bienvenidos!!

ProcesosConsideremos 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

ProcesosEn 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 CDsImprime archivos

ProcesosEn cualquier sistema de multiprogramación, la CPU conmuta de un proceso a otro con rapidez, dando la apariencia de paralelismo o pseudoparalelismo.

El modelo del procesoTodo 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 procesoLa 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 - prioridadSi 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 PROCESOLos 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 PROCESOArranque 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 PROCESOArranque 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 PROCESOLa 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 PROCESOPetición de un usuario para crear un proceso:El usuario puede crear un proceso con un doble clic en un ícono.

CREACIÓN DE UN PROCESOProcesamiento 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 procesosUna 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 procesosSalida Normal.ExitProcess, 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 procesosSalida por Error.Por ejemplo si el usuario escribe el comando para ejecutar el programa y no existe dicho archivo.

Terminación de procesosError 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 procesosEliminado 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 ProcesosEn 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 ProcesosUnix tiene el concepto de jerarquía de procesos.Un proceso nunca deshereda a otro.

Jerarquías de ProcesosWindows 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 procesoAunque 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 procesoCuando 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 procesoTambién 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 procesoLos 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 procesoHay 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 procesoTransiciones 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 procesoTransición 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 procesoEl 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.

Implementación de ProcesosPara 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 ySu 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 procesosCampos clave en un sistema típica en la tabla de procesos

Implementación de los procesosPara 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 procesosSuponga 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 procesosCuando 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 ProcesosCuando 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 MultiprogramaciónCuando 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 MultiprogramaciónUn 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 MultiprogramaciónEntonces, el uso de la CPU se obtiene mediante la fórmula:Uso de la CPU= 1-pnEjemplo: 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 MultiprogramaciónSi 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 MultiprogramaciónSi 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.

BibliografíaSistemas Operativos ModernosAndrew Tanenbaum3 edición2009

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