SIMM: TEORÍA DE LOS S.O. I.E.S. JUAN DE LA CIERVA CURSO 2007/2008

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1 SIMM: TEORÍA DE LOS S.O. I.E.S. JUAN DE LA CIERVA CURSO 2007/2008

2 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS Concepto Composición y estructura Estados y transiciones 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS Competencia por recursos compartidos Exclusión mutua. Soluciones que la garantizan Interbloqueo 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS Concepto Algoritmos de planificación 4.- BIBLIOGRAFÍA.

3 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS Concepto. Podemos definir un proceso como una copia de un programa en ejecución, y de una forma más precisa como la unidad de procesamiento gestionada por el S.O. Todos los programas que se ejecutan en el ordenador (S.O. inclusive) se organizan como un conjunto de procesos secuenciales. La CPU conmuta continuamente de un proceso a otro, mientras que el sistema se ve como un conjunto de procesos que se ejecutan casi en paralelo.

4 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS Composición y estructura. El S.O. mantiene una tabla de procesos, dentro de la cual se almacena un bloque de control de procesos (BCP) por cada proceso del sistema. TABLA DE PROCESOS DEL S.O. BCP pr1 BCP pr2 BCP pr3 BCP prn -Estado -Estado -Estado -Estado -Identificad. -Usuario -Identificad. -Usuario -Identificad. -Usuario... -Identificad. -Usuario....

5 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS. El BCP contiene información básica sobre el proceso, entre la que destaca: - Información de identificación: Identificador del proceso y del proceso padre. Identificador del usuario al que pertenece. - Información de control: Estado del proceso. Evento por el que espera si está bloqueado. Prioridad del proceso. Segmentos de memoria asignados.

6 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS. - Información sobre la CPU: Contiene los valores iniciales de la CPU o los valores del procesador en el instante en que fue interrumpido el proceso: Contador del programa. Registro de dirección..

7 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS Estados y transiciones. Los procesos van a interactuar con otros, manteniendo su característica de entidad independiente. La siguiente figura muestra los estados en los que puede encontrarse un proceso: Ejecución 1 4 Bloqueado 3 2 Listo

8 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS. - Un proceso está en ejecución cuando está haciendo uso del procesador. - Se dice que un proceso está bloqueado si no puede seguir en ejecución hasta que ocurra un determinado evento que lo saque de este estado. - Un proceso está listo para ejecutarse cuando puede entrar en fase de procesamiento. Dado que puede haber varios procesos en este estado, una de las tareas del S.O. será seleccionar qué proceso es el siguiente en ejecutarse. El módulo del S.O. que toma esta decisión es el planificador.

9 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS. - Se pueden dar 4 transiciones posibles entre los diversos estados: Transición 1: Ocurre cuando el proceso en ejecución necesita algún elemento, señal, dato, etc., para poder continuar ejecutándose. Mientras dispone de dicho elemento, permanecerá en estado bloqueado (p.e., una operación de E/S). Transición 2: Sucede cuando el planificador considera que el proceso en ejecución ya ha dispuesto del procesador durante el tiempo establecido y decide que es el momento de asignarlo a otro proceso.

10 1.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS. Transición 3: Tiene lugar cuando ha llegado la hora de que un proceso inicie o reanude su ejecución, haciendo uso del procesador. Transición 4: Tiene lugar cuando ocurre el suceso externo que el proceso estaba esperando. Si no hay en ese momento ningún proceso en ejecución, se llevará a cabo inmediatamente la transición 3 y el proceso empezará a ejecutarse. En caso contrario, el proceso competirá con el resto de procesos que se encuentren en el estado de listo.

11 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS Competencia por recursos compartidos. En multitud de ocasiones es preciso que los procesos se comuniquen entre sí: bien porque compiten por el acceso a recursos del sistema (p.e., un archivo de disco) bien porque se sincronizan para alcanzar algún objetivo común (p.e., un compilador puede constar de 2 procesos: uno que genera a partir del código fuente el código ensamblador, y otro que genera el código máquina a partir del anterior. Es fundamental la sincronización correcta de estos procesos para que el compilador funcione perfectamente).

12 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Se pueden producir situaciones en la que los procesos del sistema accedan a zonas compartidas para leer o escribir datos. El acceso a estas zonas debe controlarse para evitar resultados erróneos e imprevisibles del sistema. Este problema se resuelve impidiendo que haya más de un proceso leyendo o escribiendo simultáneamente datos compartidos. Se debe establecer una exclusión mutua, que es una forma de garantizar que mientras un proceso accede a una variable o fichero compartido, el resto no podrá hacerlo.

13 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. La selección de las operaciones primitivas adecuadas para garantizar la exclusión mutua es una de las decisiones más importantes en el diseño de un sistema operativo. A la parte de código de un proceso que accede a zonas compartidas se le denomina sección crítica. En resumen: Dos o más procesos no pueden solaparse en sus secciones críticas. Ningún proceso debe esperar eternamente para entrar en su sección crítica.

14 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS Exclusión mutua. Soluciones que la garantizan Dos procesos están en exclusión mutua si no pueden acceder simultáneamente a su sección crítica. Proceso A Instrucción 1 Instrucción 2 Instrucción 3 (Inicio S.C.) Instrucción 4 Instrucción 5 (Fin S.C.) Instrucción N-1 Instrucción N Proceso B Instrucción 1 Instrucción 2 Instrucción 3 (Inicio S.C.) Instrucción 4 Instrucción 5 (Fin S.C.) Instrucción N-1 Instrucción N

15 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Algunos de los mecanismos utilizados para garantizar la exclusión mutua son: 1) Desactivación de interrupciones: La alternancia de procesos es controlada por interrupciones. Es el reloj del sistema el que provoca cada cierto tiempo una interrupción que permite al S.O. comprobar si el proceso activo ha agotado su tiempo de CPU. Si el proceso que entra en la S.C. desactiva las interrupciones ningún otro proceso podrá entrar también en su S.C., hasta que el proceso en cuestión salga de la S.C. y vuelva a activar las interrupciones.

16 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Esta solución presenta 2 graves problemas: - Si el proceso activo desactiva las interrupciones y se produce un fallo en su ejecución, sería el fin del sistema. - Si el sistema dispone de más de una CPU, la desactivación de las interrupciones sólo afectarían al procesador donde se está ejecutando el proceso en cuestión. Por tanto, otros procesos que se ejecuten en otros procesadores podrían perfectamente acceder a la misma zona compartida. 2) Algoritmo de Peterson: Cuando un proceso va a acceder a su S.C. ejecutará un procedimiento. Si no hay otro proceso en la S.C., se permitirá el acceso y si no se bloquea.

17 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Cuando un proceso abandona su S.C., ejecutará otro procedimiento para indicar que el recurso compartido está libre. De esta forma, si existe un proceso bloqueado intentando acceder al mismo, se desbloquea y podrá adquirirlo. El siguiente ejemplo muestra una solución en ANSI C, válida exclusivamente para 2 procesos. 3) Semáforos: Dijkstra dio en 1968 una solución elegante y sencilla al problema de la exclusión mutua con la introducción del concepto de semáforo binario. Un semáforo binario es un indicador de condición (S) que se utiliza para registrar si un recurso está disponible o no.

18 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Un semáforo binario sólo puede tomar 2 valores: 0 ó 1. Cuando el semáforo vale 1 significa que el recurso está disponible y puede ser utilizado por un proceso. Por el contrario, cuando el semáforo vale 0, el recurso está ocupado, por lo que el/los proceso/s que pretendan adquirirlo deberán esperar a que lo liberen. Sobre un semáforo, sólo se permiten 3 operaciones: Inicializar (S) Wait(S) Signal (S)

19 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Inicializar (S) S 1 Wait(S) if S=1 then S 0 else Suspender proceso y poner en cola tareas Signal (S) if cola tareas = NULL then S 1 else Reanudar la 1ª tarea de la cola de tareas Para que el uso de semáforos sea eficiente, tanto las operaciones Wait (S) como Signal (S), deben ser indivisibles (no habrá entrelazados de instrucciones).

20 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. Inicializar (S); /* Representa al recurso compartido */ void Proceso 0 () { Wait (S); /* Sección Crítica */ Signal (S); } void Proceso 1 () { Wait (S); /* Sección Crítica */ Signal (S); } void Proceso 2 () { Wait (S); /* Sección Crítica */ Signal (S); }

21 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS Interbloqueo Cuando varios procesos compiten por recursos, es posible que ninguno de ellos pueda proseguir debido a que los recursos que cada uno de ellos necesita están ocupados por los otros. P0 R0 R2 P2 INTERBLOQUEO R1 Recurso Adquirido P1 Recurso Solicitado

22 2.- COMUNICACIÓN ENTRE PROCESOS. La situación anterior recibe el nombre de Interbloqueo, es decir, todos los procesos se encuentran bloqueados, por lo que el sistema informático cae. Un buen sistema operativo debe organizar y sincronizar los procesos para evitar que se produzcan situaciones como la anterior, es decir, impedir en la medida de lo posible esta espera circular entre procesos. Los sistemas operativos actuales han avanzado bastante con referencia a los interbloqueos, aunque en determinados momentos, esta situación sea totalmente inevitable.

23 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS Concepto. Se pueden definir 3 niveles de planificación: 1) Planificación de admisión o a largo plazo (PLP): Su objetivo es determinar qué trabajos deben admitirse en el sistema. Una vez admitidos, los trabajos se convierten en procesos que compiten por los recursos del sistema. 2) Planificación intermedia o a medio plazo (PMP): Determina qué procesos pueden competir por la CPU, es decir, se reactivan procesos que temporalmente han estado bloqueados.

24 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. 3) Planificación a bajo nivel o a corto plazo (PCP): Es la planificación por excelencia, en la que se determina a qué procesos en estado de listo se le va a asignar la CPU, convirtiéndose en un proceso en ejecución. El componente del S.O. que se encarga de esta tarea se denomina Scheduler (Planificador), que utiliza un determinado algoritmo de planificación para compartir la CPU entre los distintos procesos. El siguiente esquema representa los distintos niveles de planificación de un sistema informático:

25 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. Procesos pendientes de entrar en el sistema. FIN PLP Cola de Procesos Listos PCP CPU PMP Cola de Procesos Bloqueados

26 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS Algoritmos de planificación. 1) FIFO (First In First Out) o FCFS (First Come First Served): El primer proceso que entra al sistema accede a la CPU, y no la abandona hasta que termine su ejecución o se bloquee (por una operación de E/S, por ejemplo). Los procesos se ejecutan según el orden de llegada. Ejemplo algoritmo FIFO

27 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. 2) Round Robin (Turnos Rotatorios) Esta planificación es una de las más sencillas y utilizadas. En ella, los procesos acceden a la CPU siguiendo un esquema FIFO, pero con una cantidad de tiempo de CPU limitada denominada quantum. Si el proceso activo sigue en ejecución al final de su quantum, es extraído de la CPU por el planificador y el siguiente proceso se apropia del procesador. También se asigna la CPU al siguiente proceso, si el proceso activo termina o se bloquea antes del fin de su quantum.

28 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. Con este algoritmo de planificación, la cuestión principal es el tamaño del quantum: - Si es muy corto, se alternan los procesos con demasiada frecuencia. Demasiado consumo de CPU dedicado al cambio de contexto. - Si es muy largo, este algoritmo degenera hacia un esquema FIFO, con lo que los procesos largos hacen esperar a los cortos y la capacidad de concurrencia del sistema disminuye. Ejemplo algoritmo Round Robin

29 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. 3) SJF (Shorted Job First) Este algoritmo se basa en la idea de ejecutar primero aquel proceso que tiene menor tiempo estimado de ejecución. Necesitamos conocer de antemano cuánto tiempo aproximado estará el proceso en el sistema. De esta forma, se da prioridad a los procesos con poco tiempo de ejecución con respecto a los más largos. Se obtiene por tanto, un mayor grado de multiprogramación. Ejemplo algoritmo SJF

30 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. 4) SRT (Shorted Remaining Time) Este algoritmo es la versión expulsiva del método SJF. Se necesita conocer cuál es el tiempo de ejecución pendiente de cada proceso (tarea nada fácil, por lo que llevar a la práctica este algoritmo resulta bastante complicado). En resumen, en cada instante de tiempo, se elegirá de entre los procesos en estado de listo, aquel cuyo tiempo de trabajo restante es menor. Ejemplo algoritmo SRT

31 3.- PLANIFICACIÓN DE PROCESOS. 4) Algoritmo de Colas de prioridades (No expulsivo) Con este algoritmo, el planificador de procesos irá poniendo en ejecución aquellos procesos listos de las colas de prioridad más elevada, sin atender al resto de procesos de otras colas. Finalizada la ejecución de los procesos de una cola, se pasarán a ejecutar los de otra cola con menos prioridad, y así sucesivamente. Entre los procesos de la misma cola, se puede aplicar el algoritmo FIFO, Round Robin, SJF o SRT. Ejemplo algoritmo Colas de Prioridades

32 4.- BIBLIOGRAFÍA. Aranda, Joaquín, Sistemas Operativos, Teoría y problemas. Editorial Sanz y Torres.

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