Unidade 1-2 Processos e Threads

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Unidade 1-2 Processos e Threads

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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.

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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.

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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.

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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.

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Solução para o Processamento Concorrente

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

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Processo

• Um processo é uma entidade a nível de kernel, que
  possui um espaço de endereçamento.
• 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.

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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.

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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.

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Threads

• Atualmente, um processo consiste em um ambiente
  de execução, contendo uma ou mais threads.
• Thread unidade de processamento concorrente nos
  sistemas operacionais atuais, dentro de um
  processo.

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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 que pertencem a processos
  arquivos, portas, eventos, outros.

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Threads

• Definição
• Threads (linhas de execução) são atividades
  (tarefas internas) concorrentes executadas dentro
  de um processo.
• Um processo pode ter uma ou mais threads.

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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.

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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

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Três Processos - cada um com uma Thread

• Cada thread tem seu espaço de endereçamento.

Thread
Contador de Programa
Processo
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Um Processo com três Threads

• Todas num mesmo espaço de endereçamento.

Processo
Multiplas Threads
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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.

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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).

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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).

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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 (Livro de Pronto Socorro),
  cada um sendo um processo diferente (receita e
  livro).

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Processo Livro de Pronto Socorro

• Threads ???
• Ler o procedimento médico
• Desinfetar o local da picada
• Colocar curativo

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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 tarefas, para Fazer um
  Bolo ou Um Atendimento Médico, que
  correspondem às threads.

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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.

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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 .

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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.

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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

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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.

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Ciclo de Vida de um Processo/Thread
Criado
Pronto
Suspenso
Rodando
Morto
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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.

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Estado Suspenso

• Dormindo em espera temporizada.
• Bloqueado aguarda I/O.
• Em Espera - aguarda uma condição ser
  satisfeita.

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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.

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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.

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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.

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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