Sistemas Operativos3 Procesos

Prof. Javier Cañas R.

Nota

• El texto guía es: Operating System Concepts, Eight Edition, Avi Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne

• Estas PPT están basadas en las PPT originales que el autor del texto guía mantiene en: http://www.os-book.com/

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Temario

1. El concepto de proceso

2. Itineración de procesos

3. Operaciones sobre procesos

4. Comunicación Inter proceso (IPC)

5. Ejemplos de IPC

Objetivos

• Introducir el concepto de proceso como un programa en ejecución. Esta unidad forma la base de cualquier computación.

• Describir varias características de procesos como itineración, creación, término y comunicación.

1 El Concepto de Proceso

• Un SO ejecuta en general, dos tipos de programas:

• Los SO Batch ejecutan los llamados jobs

• Los SO de Tiempo-Compartido ejecutan programas de usuario o tareas (task)

• Los términos job y procesos se pueden usar en forma (casi) equivalente.

... Procesos

• Un proceso es un programa en ejecución. La ejecución de un proceso es secuencial.

• Todo proceso necesita los siguientes recursos:

‣ PC: program counter

‣ Stack

‣ Región de datos

Un proceso en memoria

Estados de Proceso

• En la medida que un proceso se ejecuta, va cambiando de estado. Estos estados son:

• new: el proceso es creado

• running: las instrucciones están siendo ejecutadas

• waiting: el proceso espera que ocurra algún evento

• ready: el proceso espera que se le asigne un procesador

• terminated: el proceso terminó su ejecución.

Diagrama de estado de Proceso

La PCB (Process Control Block)

• La estructura de datos que mantiene la información asociada a cada proceso se denomina PCB. Contiene:

‣ Estado del proceso

‣ Program Counter

‣ Registros de CPU

‣ Información de Itineración de CPU

‣ Información de gestión de memoria

‣ Información de contabilización

‣ Información de estado de I/O

La Process Control Block

Conmutación de la CPU entre procesos

2 Itineración de procesos

• El SO utiliza las siguientes colas para la Itineración de Procesos:

๏ Cola de jobs: Conjunto de todos los procesos del sistema

๏ Cola Ready: Conjunto de todos los procesos que están en memoria principal listos y esperando ser ejecutados.

๏ Cola de dispositivos: Procesos que esperan por I/O.

๏ Los procesos se mueven entre estas colas en su ciclo de vida

Distintas colas de procesos

Representación de la Itineración de Procesos

Itineradores (Schedulers)

• Existen dos tipos de itineradores:

• De largo plazo (job scheduler): selecciona cual proceso se debe llevar a la cola ready. En algunos SO, este scheduler no existe o es mínimo (UNIX y MS/W)

• De corto plazo (CPU Scheduler): selecciona el proceso a ejecutar a continuación y asigna CPU.

Itinerador de mediano plazo

• Este esquema se denomina swapping. Reduce el grado de multiprogramación (Jobs en memoria principal).

... Itineradores (Schedulers)

• El Itinerador de corto plazo es invocado frecuentemente (mseg). Debe ser rápido.

• El Itinerador de largo plazo se invoca en forma poco frecuente (segundos o minutos). Puede ser lento.

• El itinerador de mediano plazo controla el grado de multiprogramación.

Tipos de procesos

• Los procesos se pueden clasificar en dos tipos:

• Limitados por I/O: pasan más tiempo haciendo I/O que computaciones. Muchas ráfagas cortas de CPU

• Limitados por CPU: pasan más tiempo haciendo computaciones. Pocas ráfagas largas de CPU.

Context Switch

• Cuando la CPU conmuta a otro proceso, el sistema debe salvar el estado del antiguo proceso y cargar el estado salvado del nuevo proceso. Esta acción se denomina Context Switch (Conmutación de contexto).

• El contexto de un proceso está representado en la PCB

... Context Switch

• El tiempo de Context Switch es “overhead”. Cuando se conmuta de un proceso a otro, no se realiza trabajo útil.

• Este tiempo depende del soporte de hardware.

3 Operaciones sobre Procesos

• La mayoría de los SO permite la ejecución (pseudo) concurrente y pueden ser creados y eliminados dinámicamente.

• El SO debe proveer un mecanismo para crear y terminar un proceso.

Creación de Procesos

• Un proceso padre puede crear procesos hijos, los cuales a su vez pueden crear otro procesos creando de esta manera un árbol de procesos.

• Cada proceso tiene un identificador que se denomina pid. El pid permite realizar diversas operaciones sobre procesos.

... Creación de procesos

• Los procesos pueden compartir recursos. Hay 3 opciones:

- Padres e hijos comparten todos sus recursos.

- Los hijos comparten un subconjunto de los recursos del padre.

- Padres e hijos no comparten recursos

Ejecución de procesos

• Hay dos alternativas para la ejecución:

• Los padres e hijos se ejecutan concurrentemente

• El padre espera hasta que el hijo termine.

• Hay dos alternativas para el espacio direccionable:

• El hijo es un duplicado del padre

• El hijo tiene un programa cargado en él

Ejemplo UNIX

• En UNIX:

• la llamada al sistema fork crea un nuevo proceso.

• La llamada exec se sa después del fork para reemplazar el espacio de memoria con un nuevo programa

Ejemplo en C

¿Cuántos procesos se crean?

$ ./muchos_fork | sort |uniq|wc -l

Un árbol de procesos en Solaris

Terminación de procesos

• Un proceso ejecuta su última sentencia y pide al sistema operativo que lo elimine (exit).

• El hijo entrega datos de salida al padre (wait)

• Los recursos del proceso son liberados por el sistema operativo.

... Terminación de procesos

• El padre puede terminar la ejecución de sus hijos (abort). Esto se origina porque:

- El hijo ha excedido sus recursos asignados

- La tarea asignada al hijo ya no es necesaria

- Si el padre termina, algunos SO no permiten que los hijos continúen vivos: En este caso se genera un término en cascada

4 Comunicación Inter proceso (IPC)

• Los procesos en un SO pueden ser independientes o cooperativos.

• Procesos cooperativos pueden ser afectados o afectar otros procesos incluidos los datos compartidos.

... IPC

• Hay varias razones para que procesos cooperen:

- Compartir información

- Si el computador tiene más de un procesador se logra Speedup

- Modularidad

- Conveniencia: el usuario puede hacer varias cosas al mismo tiempo

... IPC

• Los procesos que cooperan necesitan IPC

• Hay dos modelos de IPC:

‣ Memoria compartida

‣ Paso de mensajes

Modelos de Comunicación

• Memoria compartida: Se establece una región de memoria que se comparte por los procesos que cooperan. Los procesos pueden intercambiar información escribiendo y leyendo.

• Permite máxima velocidad y conveniencia en la comunicación.

• Se requieren llamadas al sistema sólo para establecer las regiones compartidas de memoria.

... Modelos de Comunicación

• Paso de mensajes: la comunicación se establece por medio de intercambios de mensajes.

• Resulta útil para intercambiar cantidades pequeñas de datos.

Los dos modelos

Procesos Cooperativos

• Los procesos independientes no pueden afectar o ser afectados por otros procesos.

• Procesos cooperativos pueden afectar ser afectados por otros procesos.

El Problema del Productor-Consumidor• Este problema es un paradigma porque es

muy frecuente esta relación: un proceso genera información la cual es consumida por otro proceso.

• Se utiliza un buffer que puede ser: de tamaño ilimitado o un buffer limitado de tamaño fijo.

Productor-consumidor: estructuras de datos

• Los datos compartidos son:#define BUFFER_SIZE 10

typedef struct { . . .} item;

item buffer[BUFFER_SIZE];int in = 0;int out = 0;

Buffer: arreglo circular

in

out

t

az

Código del productor

while (true) { /* Produce an item */

while (((in + 1) % BUFFER SIZE ) == out) ; /* do nothing -- no free buffers */ buffer[in] = item; in = (in + 1) % BUFFER SIZE; }

!

Código del consumidor while (true) { while (in == out) ; // do nothing -- nothing to consume

// remove an item from the buffer item = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER SIZE; return item; }

La solución es correcta, pero sólo utiliza BUFFER_SIZE-1elementos

IPC: Paso de mensajes

• El paso de mensajes es un mecanismo para comunicar y sincronizar las acciones de un proceso.

• Los procesos se comunican sin necesidad de utilizar variables compartidas.

• IPC provee de dos mecanismos:

• send(msg): donde msg puede tener tamaño fijo o variable

• receive(msg)

... Paso de mensajes

• Si P y Q desean comunicarse, necesitan:

• Establecer un enlace de comunicación entre ellos

• Intercambiar mensajes vía send y receive

• Enlace de comunicación:

• físico: (memoria compartida, bus de hw)

• usando propiedades lógicas

Preguntas interesantes

• ¿Cómo se establecen los enlaces de comunicación?

• ¿Puede asociarse un enlace con más de dos procesos?

• ¿Cuántos enlaces pueden existir entre cada par de procesos que se comunican?

• ¿Cuál es la capacidad de un enlace?

• ¿El enlace soporta mensajes de tamaño fijos o variables?

• ¿El enlace es unidireccional o bidireccional?

Modelos para send y rceive

• Los métodos para implementación lógica de operaciones send() y receive() permiten:

- Comunicación directa o indirecta

- Comunicación sincrónica o asincrónica

- Uso de buffers automáticos o explícitos

Comunicación Directa

• Los procesos deben nombrarse explícitamente:

• send(P, msg): envía mensaje a P

• receive(Q, msg): recibe un mensaje desde Q

... Comunicación Directa

• Propiedades del enlace de comunicación:

‣ Los enlaces se establecen automáticamente.

‣ Un enlace se asocia con exactamente un par de procesos que se comunican.

‣ Los enlaces pueden ser unidireccionales, pero usualmente son bidireccionales.

Comunicación Indirecta

• ggg

• Los mensajes son dirigidos y recibidos por “mailboxes” (también llamados puertos)

• cada mailbox tiene un id único

• Procesos pueden comunicarse, sólo si comparten un mailbox.

... Comunicación Indirecta

• Operaciones:

• Crear un mailbox

• Enviar y recibir mensajes a través de mailboxs.

• Destruir mailbox

• Operaciones primitivas:

• send(A, msg): envía mensaje al mailbox A

• receive(A, msg): recibe mensaje desde mailbox A.

... Comunicación Indirecta: Dilema

• Se comparte un mailbox

➡P1, P2 y P3 comparten el mailbox A

➡P1 envía; P2 y P3 reciben

➡¿Quién toma el mensaje?

• Permitir que un enlace pueda ser asociado a lo más con dos procesos.

• Permitir a solo un proceso por vez ejecutar una operación receive.

• Permitir que el sistema en forma arbitraria seleccione el receptor. El proceso que envía es notificado de esta elección.

Sincronización

• El sistema de comunicación por mensajes puede ser bloqueante o no bloqueante.

• Un sistema bloqueante se considera sincrónico.

• el send bloqueante deja al proceso bloqueado hasta que el mensaje es recibido

• el receive bloqueante deja al receptor bloqueado hasta que el mensaje está disponible

... Sincronización

• Un sistema no bloqueante se considera asincrónico.

• en el send no bloqueante el proceso envía y continua.

• en el receive no bloqueante del receptor recibe un mensaje válido o nulo.

Buffers

• Las colas de mensajes asociadas a un enlace se pueden implementar en uno de los siguientes modos:

1. Capacidad cero: El proceso que envía debe esperar al receptor (rendezvous)

2. Capacidad acotada: Capacidad para n mensajes. El proceso que envía debe esperar si el enlace está lleno.

3. Capacidad sin límite: El tamaño es infinito. El proceso que envía nunca espera

Ejemplo: implementación de co-Rutinas usando mensajes

• Subrutina

mainA

call A

return

call A

• Co-RutinaA

resume B

resume B

B

resume A

resume A

... Co-Rutinas

• El mecanismo rendezvous es adecuado para la implementación de co-rutinas

Resume(id){ send(id, --); receive(id, --);}

5 Ejemplos de IPC: POSIX shared memory• El proceso primero crea el segmento compartido:

segment_id = shmget(IPC_PRIVATE, size, S_IRUSR | S_IWUSR);

• Los procesos que deban accesar el segmento compartido deben estar asociados a él:

shared_memory = (char *) shmat(id, NULL, 0);

• Ahora es posible escribir en la memoria compartida:

sprintf(shared_memory, "Writing to shared memory");

• Una vez realizada la comunicación es posible desligar la memoria

shmdt(shared_memory);

Ejemplo: POSIX shared memory API

Ejemplo de IPC: Mach

• Mach está en el kernel de Mac OS X. Su mecanismo de comunicación está basado en mensajes:

• incluso las llamadas al sistema son mensajes

• Cada tarea, en el momento de su creación obtiene dos mailboxes: Kernel y Notify

• Sólo tres llamadas al sistema se necesitan:msg_send(), msg_receive(), msg_rpc()

• Los mailbox para comunicación se crean vía: port_allocate()

Comunicación vía Pipes

• Los Pipes fueron el primer mecanismo de comunicación de los primeros sistemas UNIX.

• Si utilizan pipes en los shell de UNIX cuando la salida de un comando sirve como entrada de otro:

ls | more

... Pipes

• Normalmente pipes permiten la comunicación de dos procesos en la forma productor - consumidor estándar:

• El productor escribe en un extremo del pipe y el consumidor lee desde el otro extremo.

• Pipes corrientes son unidireccionales

Descriptores de archivos para pipes corrientes

• En UNIX se crea un pipe usando: pipe(int fd[]);

• Esta función crea un pipe que puede ser accesado usando el descriptor:

• fd[0] para leer el pipe

• fd[1] para escribir en el pipe

• Se utilizan las llamadas al sistema read() y write()

Descriptores de archivos para pipes corrientes

pipefd(0)

fd(0)

fd(1)

fd(1)

parent child

Ejemplo

Sistemas Operativos3 Procesos

Prof. Javier Cañas R.