TEMA 2: GESTIN DE PROCESOS

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TEMA 2 GESTIÓN DE PROCESOS

• 1. Introducción
• 1.1. Aparición del concepto de Proceso
• 1.2. Definición de Proceso
• 1.3. Requisitos del Sistema Operativo para los
  procesos
• 1.4. Modelo de Procesos
• 2. Descripción de Procesos
• 3. Ciclo de Vida de Procesos
• 3.1. Modelo de cinco estados
• 3.2. Modelo General
• 3.3. Implantación del modelo
• 4. Control de Procesos
• 4.1. Modos de Ejecución
• 4.2. Cambio de Proceso
• 5. API del Sistema Operativo para la Gestión de
  Procesos
• 6. Conceptos Avanzados
• 6.1. Hebras
• 6.2. Cuestiones de Rendimiento

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1.1. Aparición del Concepto de Proceso

• En sistemas antiguos ? 1 único programa en
  ejecución que tenía control absoluto sobre el
  sistema y todos sus recursos
• Evolución de los sistema informáticos ? nuevas
  necesidades
• mejor rendimiento, interacción con el usuario,
  varios usuarios, tiempo real
• Nuevos objetivos de diseño para los sistemas
  operativos
• Multiprogramación, tiempo compartido, tiempo real
• Origen de la abstracción de proceso
• Multiprogramación Multiplexar los recursos del
  sistema entre los programas a ejecutar
• Tiempo compartido Soporte a varios usuarios
• Necesidad de una abstracción que represente la
  ejecución de un programa ? supervisión y control
  de la ejecución de los distintos programas.

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• Multiprogramación
• Multiplexar recursos entre programas
• Objetivo
• Mantener al procesador ocupado ? cambiar su
  atención entre los distintos programas a
  ejecutar.
• Elevar el nivel de la máquina subyacente
• SO transforma máquina física ? múltiples máquinas
  virtuales en la que ejecutar los procesos
• Ciclo de Ejecución de un proceso
• Ejecutar P hasta que debe esperar (completar E/S)
• SO le quita la CPU a P y se la da a Q.
• Para implementar multiprogramación es necesario
  poder intercalar las instrucciones de un programa
  con las de otro.
• Ciclo de ejecución típico de una instrucción
• Busca ? decodifica ? ejecuta
• Siguiente instrucción ejecutada por el Procesador
  ? PC
• PC evoluciona a la siguiente instrucción a la
  actual.
• Pero, es posible poner otra instrucción diferente
  a esta, incluso, de otro programa.
• Principal herramienta para el desarrollo de
  sistemas de multiprogramación y en tiempo
  compartido ? interrupción.

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• Interrupciones
• Permite interrumpir la ejecución de un programa
  ante el acontecimiento de un suceso determinado.
• Pprocesador puede ejecutar otras instrucciones
  mientras se está realizando alguna operación de
  E/S.
• Ciclo ejecución instrucciones con interrupción
• Busca ? decodifica ? ejecuta ? trata
  interrupción.
• Nueva etapa que determina y trata interrupciones
• Procesador registra situación exacta de la
  ejecución del trabajo actual
• Se desvía a la rutina de tratamiento de la
  interrupción,
• La procesa según su naturaleza y, posteriormente,
  reanudar el mismo u otro trabajo de usuario.
• La rutina de tratamiento de la interrupción forma
  parte del sistema operativo. Este programa
  determina la naturaleza de la interrupción y
  ejecuta cuantas acciones sean necesarias.
• Interrupciones software
• Se provocan mediante la invocación de una
  instrucción que existe en casi todos los
  procesadores ??trap al SO
• Esta instrucción permite provocar interrupciones
  software desde el programa
• Se usa para pedir servicios al S.O. sistema
  operativo y se gestiona como si fuese una
  interrupción

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• main(int argc, char argv)
• procesador.reloj0 / Inicializar el reloj/
• while (hay_algo_que_ejecutar())
• / Simulación ciclo ejecución instrucciones /
• busca_instrucción(...)
• decodificaejecutainstruccion(...)
• comprobarinterrupciones()
• procesador.reloj
• / fin while /
• void decodificaejecutainstruccion(...)
• / Simulación del procesador /
• switch (instrucción_a_ejecutar)
• / Instrucciones varias del procesador /
• case 'T' / Trap al sistema operativo /
• / Poner en el registro adecuado el valor 1 para
  indicar que hay interrupción /
• / Poner en el registro adecuado el valor que
  indique el tipo de interrupción /

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• void llamadaalsistema() / Ejecución del trap /
• switch(numsyscall)
• case E/S elegirprocesoaejecutar()
• void comprobarinterrupciones()
• / Aquí se comprueban las interrupciones de fin
  de E/S y las de llamada al sistema ... /
• / Comprobar si hay llamada al sistema /
• if (procesador.hayllamadaalsistema)
• llamadaalsistema()
• procesador.hayllamadaalsistema0
• / Comprobar si hay interrupcion de fin de E/S /
• if(procesoi.finalentradasalida)
• procesoi.estadoLISTO

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1.2. Definición de Proceso
Memoria Principal

• Proceso ? programa en ejecución
• Cargado en memoria
• Proceso versus Programa
• Entidad dinámica / estática
• Compuesto por un conjunto de zonas de memoria
  llamadas en conjunto contexto del proceso
• texto, datos, pila
• información que el s.o. necesita para administrar
  el proceso?? PCB.

Lista de Procesos
PCB
texto
Proceso A
datos
pila
Registros Procesador
PCB
Proceso B
texto
PC
datos
pila
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1.3. Requisitos del Sistema Operativo para la
Gestión de Procesos

• Sistemas operativos de multiprogramación ?
  construidos en torno al concepto de proceso
• Requisitos de diseño que debe satisfacer un
  sistema operativo relativos a este concepto
• Intercalar la ejecución de un conjunto de
  procesos para maximizar el uso de la CPU
  garantizando que el proceso progresa hasta
  terminar
• Asigna recursos a los procesos que compite por
  ellos siguiendo políticas específicas
• Da soporte a la creación y destrucción de
  procesos por parte del usuario y a la
  comunicación entre ellos.
• Creación ? Crea PCB que vive durante toda la vida
  del proceso
• Destrucción ? Libera memoria ocupada por el PCB

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1.4. Modelo de Procesos

• SO ? programa de control que controla la
  ejecución de los procesos
• Describir el comportamiento que se quiere que
  exhiban ? Ciclo de Vida de los Procesos
• Modelo sencillo
• Cuestiones de diseño
• Información acerca de los procesos para poder
  restaurarlos luego
• Proceso que no tiene la CPU?

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1.4. Modelo de Procesos Entrada y Salida de
Procesos del Modelo

• Independientemente del modelo, ?dos sucesos que
  delimitan la vida del proceso Nacimiento y
  muerte.
• Creación de Procesos
• La lleva a cabo el sistema operativo
• Creación transparente al usuario no relación
• process spawning Jerarquía
• Compartición de recursos Padre e hijo comparten
  todos, parte o ninguno
• Ejecución
• Se ejecutan concurrentemente
• Padre espera a que termine el hijo
• Implica crear estructuras de datos para
  representar el proceso Crear PCB
• Asignar espacio de direcciones que necesita
• Eliminación de Procesos
• Instrucción de finalización como última
  instrucción de código
• llamada explícita a un servicio del sistema
  operativo (exit)
• errores
• padre mata hijo

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2. Descripción de Procesos

• 2.1. El PCB
• SO administra el uso que los procesos hacen de
  los recursos
• Para gestionar procesos y administrar el uso que
  hacen de los recursos, el SO construye y mantiene
  estructuras de control
• PCB
• Estructura de datos con campos para registrar los
  diferentes aspectos de la ejecución de un proceso
  y del uso de recursos.
• Sirve como repositorio para cualquier información
  que puede variar de proceso en proceso.
• Todas las operaciones que SO realiza sobre
  procesos las realiza en realidad sobre los PCB o
  al menos, implica el uso de los mismos
• Identifica al proceso de cara al sistema
  operativo
• SO conoce Proceso sólo si hay un PCB asociado a
  él
• Elegible para competir por los recursos del
  sistema ? Crear proceso ? SO crea PCB y Fin
  proceso ? liberación PCB

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2.2. Descripción de Procesos Contenido del PCB

• Diferentes organizaciones según los sistemas
• Identificación del proceso
• Información de estado del procesador
• Información de control del proceso.
• Identificación del proceso
• Identificador numérico único del proceso, de su
  padre y del usuario responsable del trabajo.
• Información de estado del procesador
• Contenido de los registros del procesador
• Información de control del proceso.
• Información de planificación y estado estado del
  proceso, prioridad, información de planificación,
  sucesos,
• Estructuración de datos enlaces en colas
• Comunicación entre procesos
• Privilegios de los procesos
• Ubicación en memoria
• Propiedad y uso de los recursos

Puntero a PCB
Estado del Procesador
Identificador del Proceso
Registros (Contador de Programa, palabra de
estado del procesador, reg. Generales)
Información de memoria
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3. CICLO DE VIDA DE LOS PROCESOS3.1. Modelo de 5
estados

• Procesos Sólo en ejecución y listos?
• Problema Procesos que no pueden ejecutarse
  aunque se les de la CPU
• Bloqueados esperando un suceso
• Cola listos ? Cola listos y cola bloqueados
• Necesario incluir estados

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3.2. Modelo General

• Memoria principal limitada operaciones E/S
  lentas CPU ociosa
• Soluciones
• Aumento cantidad memoria
• Intercambio
• Nuevo estado Suspendidos
• SO trae a MP un Suspendido o atiende petición de
  nuevo proceso
• Combinación suspendido con espera suceso
• Varios estados nuevos
• Varias colas para cada estado

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3.3. Implementación del modelo

• Para implementar la pertenencia de los procesos a
  determinado estado, se guardan, asociadas con
  cada estado, listas de PCB.
• Cola de Listos
• Cola inicial donde se colocan los procesos
• PCB de aquellos procesos que no tienen el
  procesador en este momento pero están esperando
  que se lo den para poder ejecutarse.
• SO selecciona siguiente a ejecutar de esta cola
• Cola de Bloqueados
• PCB de procesos esperando suceso para poder
  continuar
• Varias colas de Bloqueados, una para cada suceso.
  
• Cuando ocurra un suceso, el sistema operativo
  puede pasar a listo la lista entera de procesos
  de la cola correspondiente.

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4. Control de Procesos

• 4.1. Modos de ejecución
• Hardware Soporta modo usuario y núcleo
• Modo kernel
• Control absoluto sobre el procesador
• Instrucciones privilegiadas sólo pueden
  ejecutarse en modo núcleo (primitivas de E/S,
  lectura y modificación de los registros de
  control, además del acceso a ciertas regiones de
  memoria)
• Puede acceder a cualquier dato
• Modo núcleo
• No puede ejecutar las instrucciones privilegiadas
• Sólo tiene acceso a su memoria
• Por qué dos modos de ejecución?
• Protección
• Implementación Bit en el PSW

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4.2. Cambio de Proceso

• Cambio de proceso
• Proceso en Ejecución se interrumpe (no puede
  seguir ejecutándose)
• SO pasa el control del procesador a otro proceso
  y lo pone listo para ejecutar
• Proceso original pasa a bloqueado o listo
• Ocurre en respuesta a sucesos que alteran el
  estado del sistema ? sistema operativo toma el
  control.
• Interrupciones o cepos Las interrupciones son
  provocadas por un suceso externo e independiente
  del programa en ejecución los cepos tienen
  relación con una condición de error o excepción
  generada dentro del programa que se está
  ejecutando
• Llamadas al sistema se producen desde el
  programa en ejecución y provoca la transferencia
  a una rutina que forma parte del S.O.
• Procesamiento
• Conmutación de modo ?
• Salvar información de estado del procesador para
  ejecución del proceso actual ? PCB
• cambio de estado en el PCB y mover a la lista
  adecuada
• Seleccionar otro proceso para ejecución
• Sacarlo de la cola y ponerlo en estado En
  Ejecución
• Restaurar información estado del procesador para
  el nuevo proceso.
• Conmutación de modo ?

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4.2. Cambio de Proceso(II)
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4.3. Overhead

• Todas las tareas del sistema operativo son puro
  overhead pero son necesarias para que todo
  funcione bien.
• Cambio proceso ? Costosa, compleja y frecuente
• Afecta significativamente al rendimiento de SO de
  multiprogramación.
• Eficiencia del cambio de proceso mejora con ayuda
  hardware y con una técnica de estructuración de
  procesos denominada hebras
• Esquema hardware empleado para acelerar la
  conmutación de procesos
• Disponer de múltiples conjuntos estructuralmente
  idénticos de registros del procesador.
• Mínimo dos uno para el S.O. y otro para el
  usuario.
• Cambio proceso ? cambiar puntero al conjunto de
  registros actual.
• Si existen más procesos activos que conjuntos de
  registros, el sistema copia los datos de los
  registros desde y hacia memoria.

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5. API del sistema operativo para la gestión de
procesos

• 5.1. Definición de Llamada al Sistema
• Libertad al usuario para ejecutar cualquier cosa
  ? Riesgos
• Degradación sistema Necesario mecanismo
• Destrucción de datos otros controlado y seguro
  de ejecución
• procesos o del S.O. Instrucciones peligrosas
• Peligros ? debe hacerse siempre bajo control del
  S.O.
• Acceso a los recursos (hardware o software)
• Creación y gestión de procesos
• Acciones sobre memoria, etc.
• Llamadas al sistema
• Proporcionan la interfaz entre el SO y un
  programa en ejecución
• Permiten la solicitud de servicios al sistema
  operativo.
• Provoca la ejecución de código del SO que se hace
  siempre en modo privilegiado.

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5.2. Interfaz de alto nivel de las llamadas al
sistema

• Llamadas al sistema normalmente disponibles como
  instrucciones de bajo nivel
• Lenguajes alto nivel permiten hacer llamadas al
  sistema desde el programa ? parecen llamadas a
  procedimientos o funciones normales
• Estos sistemas generan llamada a rutina especial
  de tiempo de ejecución que hace llamada sistema o
  bien puede ser generada in-line.
• Ejemplo
• Programa que lee datos de un fichero y los copia
  a otro.
• Parámetros Nombres de ambos ficheros.
• Acciones
• Programa debe abrir fichero origen y crear el
  destino.
• Cada operación implica llamada al sistema y trae
  consigo la necesidad de gestionar los errores que
  se produzcan.
• Bucle lectura datos del origen y escritura en
  destino (ambas llamadas al sistema).
• Programador debe cerrar ambos ficheros.
• Sistema en tiempo de ejecución de lenguajes de
  alto nivel proporciona interfaz más simple con
  funciones como open, close, read y write.
• Por ejemplo, función write en C se compila a una
  llamada en tiempo de ejecución que realiza las
  llamadas al sistema necesarias, chequea errores
  y, finalmente, retorna al programa de usuario.

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5.3. Gestión de una Llamada al Sistema

• Muchos procesadores cuentan con una instrucción
  especial denominada interrupción software,
  llamada al sistema, trap al S.O.,...
• Cuando se ejecuta, el hardware la trata como una
  interrupción.
• El control pasa a través del vector de
  interrupciones a una rutina de procesamiento del
  S.O. y se cambia a modo privilegiado.
• Rutina procesamiento forma parte del sistema
  operativo.
• S.O. examina la instrucción que provocó la
  interrupción
• Determina tipo servicio requerido e información
  adicional.
• El sistema operativo ejecuta la solicitud y
  devuelve el control a la instrucción siguiente a
  la llamada al sistema.
• dibujo

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5.4. Llamadas al sistema para la gestión de
procesos

• Sistema Operativo ofrece una serie de Servicios a
  los programas de usuario referentes a la gestión
  de procesos
• Accesibles mediante llamadas al sistema
• Cada sistema operativo ofrece las que quiere.
• Crear(IdProceso, Atributos)
• Crear nuevo proceso con el identificador y los
  atributos que se pasan como parámetro.
• S.O. obtiene nuevo identificador y PCB
• Asigna memoria para el nuevo proceso
• Rellena PCB con atributos proporcionados o
  predeterminados
• Enlaza proceso con las estructuras del S.O.,
  insertando el PCB del proceso en la lista de
  Preparados.
• Eliminar(IdProceso)
• SO destruye proceso y lo elimina del sistema
• Reclama los recursos asignados al proceso
• Elimina el PCB de la lista en que está y queda
  libre
• Un proceso puede eliminarse a sí mismo y a otros
• Se invoca como parte de la terminación ordenada
  de un programa

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• Dividir/Unir
• Método de creación y terminación de procesos.
• Dividir ? Divide una secuencia de instrucciones
  en dos secuencias ejecutables concurrentemente
• Se crea nuevo proceso (hijo) que ejecuta parte
  del código y padre ejecuta la otra
• Devuelve identidad del hijo al padre que lo puede
  usar para esperar fin del hijo antes de invocar
  unir.
• Unir ? Reune las secuencias de código divididas y
  el padre puede usarlo para sincronizarse con el
  hijo.
• Bloquear (IdProceso)
• Proceso IdProceso permanece en el sistema ?
  bloqueado indefinidamente y estado bloqueado
• Proceso puede bloquearse a sí mismo o a otros
  dependiendo de su nivel de privilegios.
• El SO responde poniendo el PCB del proceso en la
  lista de bloqueados y actualizando el estado
• Reanudar(IdProceso)
• Reanuda proceso bloqueado
• SO pone PCB en listos para ejecución y actualiza
  estado
• Retardar(IdProceso, tiempo)
• Proceso queda bloqueado el tiempo especificado
• Leer_Atributos(IdProceso, grupoatributos)
• Consulta a la que el SO responde proporcionando
  los valores actuales de los atributos del proceso
  designado.
• Modificar_Prioridad(IdProceso, nuevaprioridad)

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6. Conceptos avanzados hilos

• Hebras o hilos o procesos ligeros (LWP)
• Unidad básica de uso de la CPU
• Consiste en Contador de programa Conjunto de
  registros Espacio para la pila
• Comparte con sus iguales la sección de código,
  datos y recursos del sistema operativo, conocido
  como task.
• Un proceso tradicional task con un hilo.
• Hilos de usuario
• Librerías
• Cambio de hilo no necesita llamada al sistema que
  causa interrupciones al kernel, por tanto, es muy
  rápido.
• Hilos kernel
• Llamadas al sistema.

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6. Conceptos avanzados

• Similitudes entre procesos e hilos
• Hilos varios estados listo, bloqueado,
  ejecutándose o terminado
• Comparten CPU y sólo hay un hilo activo al tiempo
• Hilo en ejecución dentro de un proceso tiene su
  propia pila y contador de programa.
• Pueden crear hilos hijos, bloquearse en llamadas
  al sistema ? otros hilos siguen su ejecución
  normal
• Diferencias
• Hilos comparten espacio de direcciones de una
  task
• No son independientes unos de otros
• Un hilo puede leer o escribir la pila de otros
  hilos.
• No hay protección entre hilos.
• Sería necesaria?.