Unidad 2.- Administración de procesos

Cada programa que se ejecuta mediante una orden de ejecutar dada por el usuario, se trata como un proceso independiente. Estos procesos generados por el O.S se denominan implícitos. Una vez terminada la ejecución de los mismos, su eliminación también la realiza el propio O.S. Así mismo, el O.S proporciona en tiempo real los servicios que son necesarios para que el usuario pueda definir procesos de forma explicita. Los programas acceden a estos servicios realizando llamadas al sistema (system call).

2.1 Descripción Y Control De Procesos

Estas llamadas pueden aparecer incrustadas en el código de un programa de usuario o del propio sistema, se asemejan a llamadas a procedimientos o funciones que dan lugar a transferencias de rutinas del O.S cuando se invocan en tiempo real. Las llamadas al sistema se realizan también, pero de forma indirecta, cuando se dan órdenes al O.S a través de un terminal, la rutina de monitorización del terminal se encarga de transformar las órdenes en llamadas al sistema.

De esta forma, al comienzo de la ejecución del programa principal de un usuario se inicia la ejecución de un proceso. A su vez el proceso podría crear nuevos procesos. El proceso que crea otro nuevo se denomina proceso padre (parent process), y el proceso creado de denomina proceso hijo (child process). Una vez creado un proceso hijo, la ejecución de padre e hijo transcurre de manera concurrente. De esta manera se puede crear una jerarquía de procesos, en la que un padre puede tener varios hijos y estos pueden tener otros hijos, etc., pero donde cada hijo sólo tiene un padre.

Un proceso se refiere a las instrucciones que ejecutará el microprocesador mientras lee un programa determinado. Esto también implica a la memoria reservada y a sus contenidos, el estado de ejecución en determinado momento, y la información que permite al sistema operativo planificar.Un proceso es una instancia de ejecución de un programa, caracterizado por su contador de programa, su palabra de estado, sus registros del procesador, su segmento de texto, y datos, etc.

 

2.2 Definición de Proceso

Los estados de los procesos son:VacioEsperaEjecuciónEl principal trabajo del procesador es ejecutar las instrucciones de máquina que se encuentran en memoria principal. Estas instrucciones se encuentran en forma de programas. Para que un programa pueda ser ejecutado, el sistema operativo crea un nuevo proceso, y el procesador ejecuta una tras otra las instrucciones del mismo.

2.3 Estados de Procesos

Los cinco estados de este diagrama son los siguientes:

Ejecución: el proceso está actualmente en ejecución.

Listo: el proceso está listo para ser ejecutado, sólo está esperando que el planificador de corto plazo así lo disponga.

Espera: el proceso no puede ejecutar hasta que no se produzca cierto suceso, como la finalización de una operación de Entrada/Salida solicitada por una llamada al sistema operativo.

Nuevo: El proceso recién fue creado y todavía no fue admitido por el sistema operativo. En general los procesos que se encuentran en este estado todavía no fueron cargados en la memoria principal.

Modelo de cinco estados

Terminado: El proceso fue expulsado del grupo de procesos ejecutables, ya sea porque terminó o por algún fallo, como un error de protección, aritmético, etc.

Nuevo: El proceso recién fue creado y todavía no fue admitido por el sistema operativo. En general los procesos que se encuentran en este estado todavía no fueron cargados en la memoria principal.

Terminado: El proceso fue expulsado del grupo de procesos ejecutables, ya sea porque terminó o por algún fallo, como un error de protección, aritmético, etc.

La mayoría de los procesadores dan soporte para dos modos de ejecución por lo menos.

2.4Control De Procesos Sistemas Operativos

•Ciertas instrucciones pueden ejecutarse sólo en modo privilegiado.

•El modo menos privilegiado a menudo se conoce como modo de usuario

La razón por la que se usan dos modos debe quedar clara. Es necesario proteger al sistema operativo y a las tablas importantes del mismo, tales como los bloques de control de procesos, de las injerencias de los programas de usuario. En el modo del núcleo, el software tiene control completo del procesador y de todas sus instrucciones, registros y memoria. Este nivel de con¬ trol no es necesario y, por seguridad, tampoco conveniente para los programas de usuario.

Surgen dos preguntas: ¿Cómo conoce el procesador en qué modo va a ejecutar? ¿Cómo se cambia de modo? Para la primera pregunta, normalmente hay un bit en la PSW que indica el modo de ejecución. El bit es cambiado como respuesta a ciertos sucesos. Por ejemplo, cuando un usuario hace una llamada a un servicio del sistema operativo, el modo se cambia al de núcleo. Esto se suele llevar a cabo ejecutando una instrucción que cambia el modo. Un ejemplo de cómo se hace esto es la instrucción de Cambio de Modo (CHM, Change Mode) del VAX.

2.5Procesos E Hilos

Estados en los que puede estar un proceso.

•Listo: Tiene todo lo necesario para ejecutarse excepto el procesador. •Suspendido: No está en memoria principal. •Bloqueado: Está esperando un evento. •Bloqueado y suspendido. •Listo y suspendido.

Tareas e hilos

Unidad mínima de asignación: tarea.

Unidad mínima de expedición: hilo.

Dos hilos de una misma tarea (denominados hilos pares) comparten el segmento de código, el segmento de datos y un espacio de pila, es decir, los recursos asignados a la tarea.

Diferencias entre el control de múltiples hilos con el control de múltiples procesos.

•En el caso de los procesos, cada uno opera independientemente de los otros; cada proceso tiene su propio contador de programa, registro de pila, y espacio de direcciones.•Cuando un hilo está en ejecución, posee el acceso a todos los recursos que tiene asignados la tarea.

Un hilo tendrá lo siguiente:

•Estado. •Contexto del procesador. •Pila de ejecución. •Espacio de almacenamiento estático. •Acceso a los recursos de la tarea.

Ventajas del uso de hilos

•Se ta rd a me n o s t i e mp o e n cre a r un hi lo d e un a ta re a exi ste n te que e n cre a r un nuevo p ro ce so . •Se ta rd a me n o s t i e mp o e n te rmi n a r un hi lo que e n te rmi n a r un p ro ce so . •Se ta rd a me n o s t i e mp o e n ca mbi a r e n tre d o s hi lo s d e una mi sma ta re a que e n ca mbi a r e n tre d o s p ro ce so s ( p o rque lo s re curso s n o ca mbi a n , p o r e j e mp lo ) •Es ma s se n ci l lo la co mun i ca ci ó n ( p a so d e me nsa je s p o r e j e mp lo ) e n tre hi lo s d e un a mi sma ta re a que e ntre d i fe re n te s p ro ce so s . •Cua n d o se ca mbi a d e un p ro ce so a o tro , t i e n e que i n te rve n i r e l n úcle o d e l s i ste ma o p e ra t ivo p a ra que haya p ro te cci ó n .

2.6Concurrencia Exclusión Mutua y sincronización.

Los temas fundamentales del diseño de sistemas operativos están relacionados con la gestión de procesos e hilos:

• Multiprogramación: consiste en la gestión de varios procesos dentro de un sistema mono-procesador.

• Multiprocesamiento: consiste en la gestión de varios procesos, dentro de un sistema multiprocesador.

• Procesamiento distribuido: consiste en la gestión de varios procesos, ejecutándose en sistemas de computadores múltiples y distribuidos. La reciente proliferación de las agrupaciones es el principal ejemplo de este tipo de sistemas.

La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes:

• Múltiples aplicaciones: la multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varias aplicaciones activas.

• Aplicaciones estructuradas: como ampliación de los principios del diseño modular y la programación estructurada, algunas aplicaciones pueden implementarse eficazmente como un conjunto de procesos concurrentes.

• Estructura del sistema operativo: las mismas ventajas de estructuración son aplicables a los programadores de sistemas y se ha comprobado que algunos sistemas operativos están implementados como un conjunto de procesos o hilos.

2.7 PRINCIPIOS GENERALES DE LA CONCURRENCIA

En un sistema multiprogramado con un único procesador, los procesos se intercalan en el tiempo aparentando una ejecución simultánea. Aunque no se logra un procesamiento paralelo y produce una sobrecarga en los intercambios de procesos, la ejecución intercalada produce beneficios en la eficiencia del procesamiento y en la estructuración de los programas.

La intercalación y la superposición pueden contemplarse como ejemplos de procesamiento concurrente en un sistema monoprocesador, los problemas son consecuencia de la velocidad de ejecución de los procesos que no pueden predecirse y depende de las actividades de otros procesos, de la forma en que el sistema operativo trata las interrupciones surgen las siguientes dificultades:

LABORES DEL SISTEMA OPERATIVO Elementos de gestión y diseño que surgen por causa de la concurrencia:

1) El sistema operativo debe seguir a los distintos procesos activos

2) El sistema operativo debe asignar y retirar los distintos recursos a cada proceso activo, entre estos se incluyen:

_Tiempo de procesador

_Memoria

_Archivos

_Dispositivos de E/S

3) El sistema operativo debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias no intencionadas de otros procesos.

4) Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad a la que se realiza la ejecución de otros procesos concurrentes.

Para abordar la independencia de la velocidad debemos ver las formas en las que los procesos interactúan.

INTERACCIÓN ENTRE PROCESOS Se puede clasificar los en que interactúan los procesos en función del nivel de conocimiento que cada proceso tiene de la existencia de los demás. Existen tres niveles de conocimiento:

1) Los procesos no tienen conocimiento de los demás: son procesos independientes que no operan juntos. Ej: la multiprogramación de procesos independientes. Aunque los procesos no trabajen juntos, el sistema operativo se encarga de la “competencia” por los recursos.

2) Los procesos tienen un conocimiento indirecto de los otros: los procesos no conocen a los otros por sus identificadores de proceso, pero muestran cooperación el objeto común.

3) Los procesos tienen conocimiento directo de los otros: los procesos se comunican por el identificador de proceso y pueden trabajar conjuntamente.

Competencia entre procesos por los recursos

Los procesos concurrentes entran en conflicto cuando compiten por el uso del mismo recurso; dos o más procesos necesitan acceder a un recurso durante su ejecución .Cada proceso debe dejar tal y como esté el estado del recurso que utilice.

La ejecución de un proceso puede influir en el comportamiento de los procesos que compiten. Por Ej. Si dos procesos desean acceder a un recurso, el sistema operativo le asignará el recurso a uno y el otro tendrá que esperar.

Cuando hay procesos en competencia, se deben solucionar tres problemas de control: la necesidad de exclusión mutua. Suponiendo que dos procesos quieren acceder a un recurso no compartible. A estos recursos se les llama “recursos críticos” y la parte del programa que los utiliza es la “sección crítica” del programa. Es importante que sólo un programa pueda acceder a su sección crítica en un momento dado.

Hacer que se cumpla la exclusión mutua provoca un interbloqueo.

REQUISITOS PARA LA EXCLUSIÓN MUTUA

Sólo un proceso, de todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un momento dado. Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin interferir con los otros procesos. Un proceso no debe poder solicitar acceso a una sección crítica para después ser demorado indefinidamente, no puede permitirse el interbloqueo o la inanición. Si ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin demora. No se debe suponer sobre la velocidad relativa de los procesos o el número de procesadores. Un proceso permanece en su sección crítica por un tiempo finito. Una manera de satisfacer los requisitos de exclusión mutua es dejar la responsabilidad a los procesos que deseen ejecutar concurrentemente. Tanto si son programas del sistema como de aplicación, los procesos deben coordinarse unos con otros para cumplir la exclusión mutua, sin ayuda del lenguaje de programación o del sistema operativo.

2.8 Exclusión mutua: solución por software y hardware

Exclusión mutua

Consiste en que un solo proceso excluye temporalmente a todos los demás para usar un recurso compartido de forma que garantice la integridad del sistema

Los algoritmos de exclusión mutua se usan en programación para evitar que fragmentos de código conocidos como secciones críticas sean accedidas al mismo tiempo a recursos que no deben ser compartidos

La técnica que se emplea para conseguir la exclusión mutua es inhabilitar las interrupciones durante el conjunto de instrucciones más pequeño que impedirá la corrupción de la estructura compartida

La mayoría de los métodos de exclusión mutua clásicos intentan reducir la espera activa mediante las colas y cambios de contexto

Algunos investigadores afirman que las pruebas indican que estos algoritmos especiales pierden más tiempo del que ahorran

Algunos ejemplos de soluciones por software y hardware son los algoritmos clásicos de exclusión mutua:

El algoritmo de Dekker

El algoritmo de Peterson

 

 

2.9 SemáforosUn semáforo es un algoritmo de control de procesos diseñada para sincronizar dos o más procesos, de modo que su ejecución se realice de forma ordenada y sin conflictos entre ellos.

Los semáforos pueden ser usados para diferentes propósitos, entre ellos:Implementar cierres de exclusión mutua o locks.

Eliminar Barreras Permitir a un máximo de N threads, acceder a un recurso, inicializando el semáforo en N.

Se utilizan dos variables comunes para realizar el código.La operación P Se denomina "wait" o "espera"

Wait.- Pregunta a los procesos si su contador es > ó = que cero, en caso de no ser así, los decrementa. El proceso que cambia en este caso a negativo (−1) desde la cola de procesos Listos a ser ejecutados es el que automáticamente toma el control del procesador.

La operación V se denomina "signal" o "señal".

Signal.- determina el tiempo t, y pregunta a los procesos si su contador es < que cero en caso de que sea afirmativa la respuesta, saca a este proceso de su ejecución.

Los semáforos también se emplean para permitir el acceso a diferentes partes de programas donde se manipulan variables o recursos que deben ser accedidos de forma especial.

Los sistemas operativos usan semáforos para controlar el acceso a una sección crítica o recursos compartidos. El semáforo se inicializa en un valor que corresponde al número de recursos disponibles

2.10 MonitoresEl monitor del sistema es la herramienta que permite ver el estado del sistema. Esta herramienta permite generar gráficos a tiempo real del estado de funcionamiento de los diversos componentes del sistema, así como hacer un seguimiento de estos componentes, obteniendo informes e incluso lanzando aplicaciones en respuesta a determinadas condiciones. Los elementos de monitorización que permite crear el monitor del sistema son de cuatro tipos: gráficos, alertas, registros e informes.

Un monitor encapsula el código relativo a un recurso compartido en un solo módulo de programa;

Mantenimiento más simple.

Menos errores de programación.

. La interfaz del monitor es un conjunto de funciones que representan las diferentes operaciones que pueden hacerse con el recurso.

La implementación del monitor garantiza la exclusión mutua:

Mediante semáforos o algún otro mecanismo.

Implícitamente en los lenguajes concurrentes

Monitor residente

Son programas que residían en memoria y que gestionaban la ejecución de una cola de trabajos.

Un monitor residente estaba compuesto por un cargador, un Intérprete de comandos y un Controlador (drivers) para el manejo de entrada/salida.

2.11Paso De Mensajes Sistemas Operativos

El paso de mensajes es una técnica empleada en programación concurrente para aportar sincronización entre procesos y permitir la exclusión mutua, de manera similar a como se hace con los semáforos, monitores, etc.

Los elementos principales que intervienen en el paso de mensajes son el proceso que envía, el que recibe y el mensaje

2.12 Concurrencia E Interbloqueo Deadlock

DEADLOCK Los procesos no son ejecutados constantemente desde que se inician hasta que son finalizados. Un proceso puede estar identificado con tres estados diferentes: leyendo (ready), ejecutando (running) o bloqueado (blocked). En el estado de lectura, un proceso está parado, concediendo que otro proceso sea ejecutado; en el estado de ejecución, un proceso está utilizando algún recurso; y en el estado de bloqueo, el proceso está parado y no se ejecutará mientras algo lo restaure.

Se dice que dos procesos se encuentran en estado de deadlock (interbloqueo, bloqueo mutuo o abrazo mortal) cuando están esperando por condiciones que nunca se van a cumplir. Se podría hablar de deadlock como el estado permanente de bloqueo de un conjunto de procesos que están compitiendo por recursos del sistema.

2.13

PRINCIP

IOS D

EL INTERBLOQUEO

El interbloqueo se puede definir como el bloqueo permanente de un conjunto de

procesos que compiten por los recursos del sistema o bien se comunican unos con otros. A diferencia de otros problemas de la gestión

concurrente de procesos, no existe una solución eficiente para el caso general.

Todos los interbloqueos suponen necesidades contradictorias de recursos por parte de dos o más procesos