Mensaje del editor. Agradecimientos. Sobre el autor

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1 Índice general Mensaje del editor Agradecimientos Sobre el autor Prólogo IX XI XIII XXV 1. Introducción Funciones y objetivos de los sistemas operativos Funciones Estructuras de los sistemas operativos Gestión de procesos Gestión de la memoria principal Gestión de archivos Gestión de dispositivos de entrada y salida Servicios Tipos de sistemas operativos El núcleo del sistema operativo Estructura y funcionamiento de la computadora Componentes de una computadora Dinámica de una operación de entrada y salida El vector de interrupciones Hardware de las interrupciones Tratamiento de la interrupción... 12

2 XVI Tratamiento diferido Clock tick Llamadas al sistema El proceso de arranque Evolución de los sistemas operativos La API de Windows Trabajos prácticos Práctica con Linux procfs Llamadas a sistema Apagando Linux Práctica con Windows ProcFeatures Ejemplo Ejemplo CoreInfo Ejemplo Ejemplo Llamadas a sistema Administrador de tareas Una analogía Procesos Estados de un proceso Bloque de control de procesos Creación y terminación de procesos Jerarquía de procesos Planificador y activador Cambio de contexto Procesos ligeros, hilos o threads Motivaciones para el uso de hilos Modelos de organización Aspectos del diseño de hilos Creación de los hilos Terminación de los hilos Sincronización de los hilos Planificación de los hilos Manejo de señales Implementación Ventajas y desventajas de los dos enfoques Fibras Comunicación Procesos independientes Procesos cooperantes Procesos concurrentes... 56

3 XVII Paradigmas de comunicación entre procesos Memoria compartida Pase de mensajes Puerto Señales Temporizadores Socket Tubería Cola de mensajes Archivos Archivos proyectados en memoria Excepciones Trabajos prácticos Práctica con Linux Estados de los procesos Obtener el PID Crear procesos con fork() Práctica con Windows tlist Ejemplo Ejemplo Información de los procesos con el Administrador de Tareas Memoria Funciones y operaciones del administrador de memoria Modelo de memoria de un proceso Fases en la generación de un ejecutable Formato del ejecutable El formato COFF El formato ELF El formato PE Mapa de memoria de un proceso Diferentes esquemas de administración Mono programación Partición absoluta única Partición reubicable única Superposiciones Multiprogramación Múltiples particiones fijas Múltiples particiones variables Algoritmos de selección de la partición: Cola de procesos por partición: Cola única: Sistema de compañeras Slab Allocator... 86

4 XVIII Reubicación Paginación simple Segmentación simple Segmentación con paginación Tablas de páginas y de segmentos Memoria asociativa Tabla de páginas invertida Ventaja adicional del paginado: las páginas compartidas Intercambio Memoria virtual Paginación por demanda Ejemplo Localidad de referencia Traba de páginas Tamaño de la página Algoritmos de reemplazo de páginas El rendimiento de los algoritmos Políticas de asignación Ejemplo Hiperpaginación Conjunto de trabajo Prepaginado Segmentación Trabajos prácticos Práctica con Linux Estadísticas de la memoria virtual en Linux El programa mapa.c La estructura de ELF El archivo /proc/pid/maps Práctica con Windows Memoria virtual en Windows La estructura de PE PhysMem CacheSet Planificación Conceptos Supuestos subyacentes Características Contexto Desalojo Colas Criterios Notación de Landau Tipos de planificación...122

5 XIX 4.3. Algoritmos de planificación FCFS (First-Come, First-Serve) El efecto convoy SJF (Shortest-Job-First) SRPT (Shortest-Remaining-Processing-Time) Por prioridad RR (Round-Robin) Colas multiniveles MLQ MLFQ Planificación en POSIX Planificación en Linux Primeras versiones Version Versión Version Versión Versión Versión Versiones recientes Versión Versión Planificación en Windows Niveles de prioridad Base de datos del activador Práctica con Linux Cambio de contexto Una analogía Sincronización Antecedentes Alternativas de sincronización Sección crítica Exclusión mutua Soluciones hardware Inhabilitación de las interrupciones Instrucciones especiales de máquina TSL CAS Fetch-and-add Read-modify-write Load-link/store-conditional Soluciones libres de espera Soluciones software El problema de la sección crítica...153

6 XX Algoritmo de Dekker Algoritmo de Peterson Requisitos de una solución Variables mutex Variables de condición Spinlock Problemas clásicos Los filósofos comensales El peluquero dormilón Problema del productor-consumidor Problema de los lectores-escritores Comunicación cliente-servidor Semáforos Monitores Sintaxis de un monitor Sincronización en pase de mensajes Características de la sincronización Memoria intermedia o buffer Buffer nulo Buffer de mensaje único Buffer de capacidad ilimitada Buffer de capacidad limitada Sincronización en tuberías Sincronización mediante señales Bloqueo mutuo Condiciones para que se cumpla el interbloqueo Grafos de asignación de recursos Métodos para el tratamiento del bloqueo mutuo Prevención Cómo evitar el bloqueo mutuo El algoritmo del banquero Detección del interbloqueo Recuperación del interbloqueo Algoritmo del avestruz Sincronización en POSIX Señales Mutex Mutex no bloqueante Semáforos para hilos Semáforos para procesos Variables de condición Memoria compartida Proyectar un archivo compartido Acceso compartido a un archivo Sincronización en Linux...183

7 XXI Operaciones atómicas Spinlock Full spinlock Lectores y escritores Mutex Sincronización en Windows Sincronización con IRQL alto Spinlocks Sincronización con IRQL bajo Llamada a Procedimiento Local Mailslots Trabajos prácticos Tuberías Otro ejemplo: Autoevaluación Almacenamiento Conceptos Archivos Tipos Atributos Operaciones Particiones Nombres Sistema de archivos Directorio Directorio de un nivel Directorio de dos niveles Estructura de árbol Estructura de grafo Entradas de directorio Designación de un archivo Directorio raíz por proceso Otros tipos de objetos Journaling Arquitectura del software Estructuras asociadas Organización de los archivos Gestión del espacio libre en disco Técnicas de asignación Implementaciones Sistemas de archivos en Windows FAT - File Allocation Table NTFS Sistema de archivos de UNIX...222

8 XXII Sistemas de archivos en Linux Second Extended File System Virtual File System Third Extended File System ReiserFS Fourth Extended File System Sistemas de archivos sin almacenamiento procfs debugfs sysfs ramfs Trabajos prácticos Particiones y sistemas de archivos Directorios, archivos y enlaces Permisos Sistemas de entrada y salida Dispositivos de entrada y salida Organización de las funciones de entrada y salida Aspectos del diseño Objetivos Mecanismo y política Estructura lógica de las funciones Subsistema de entrada y salida del núcleo Planificación de la entrada y salida Almacenamiento intermedio Memoria intermedia nula Memoria intermedia sencilla Memoria intermedia doble Memoria intermedia circular Caché Spool Manejo de errores Estructuras de datos Planificación del acceso a discos Estructura de un disco Planificación del acceso al disco Distintos tipos de algoritmos de planificación FCFS SSTF SCAN C-SCAN LOOK El ascensor Linus El planificador con fecha límite...252

9 XXIII El planificador de entrada y salida anticipatorio CFQ Manejadores de dispositivos Ventanas al núcleo Desventajas devfs Conexión en caliente El nuevo modelo de dispositivos de Linux Colectores, dispositivos y clases sysfs udev HAL en Linux DeviceKit D-Bus Netlink sockets Cómo funciona todo junto Trabajos prácticos Cómo creamos archivos especiales? Autoevaluación Multiprocesamiento Múltiples procesadores Aplicaciones paralelas Ley de Amdahl Taxonomía de Flynn Arquitecturas de múltiples procesadores Procesamiento simétrico y asimétrico Multiprocesadores simétricos Ventajas Organizaciones Afinidad Granularidad Paralelismo Independiente De grano grueso y muy grueso De grano medio De grano fino Serialización de datos Diseño Procesos o hilos simultáneos y concurrentes Planificación Asignación de hilos a procesadores Uso de la multiprogramación en procesadores individuales Expedición de un proceso Planificación de procesos...295

10 XXIV Planificación de multiprocesadores Sincronización Estructuras de datos locales a la CPU Spinlocks Semáforos - mutexes Traba de lectura rápida Leer-Copiar-Actualizar Barrera Gestión de la memoria Arquitectura de Acceso Uniforme a Memoria (UMA) Arquitectura de Acceso No Uniforme a Memoria (NUMA) Arquitectura de Memoria de Sólo Caché (COMA) Coherencia y consistencia Ordenamiento y consistencia de la memoria Modelos de consistencia Modelo de consistencia estricta Modelo de consistencia secuencial Modelo de consistencia causal Modelo de consistencia PRAM Modelo de consistencia de procesador Modelo de orden de almacenamiento total Modelo de consistencia débil Modelo de consistencia de liberación Modelo relajado de consistencia de liberación Ordenamiento explícito en memoria Las barreras de memoria del hardware Multiprocesamiento en Windows La base de datos del activador Sincronización en el núcleo Gestión de la memoria Multiprocesamiento en Linux Gestión de la memoria Bibliografía 321

11 Prólogo Este libro pretende llevarnos al fascinante mundo de los sistemas operativos, explicándonos lo qué es en realidad un sistema operativo, cuál es su interés, sus propiedades y funciones sin las cuales un ordenador solo nos serviría como objeto de decoración. Después de presentarnos los objetivos de un sistema operativo, Martín nos propone una evolución de esos sistemas focalizándose en los mundos de Unix y Windows. A continuación, el libro describe con detalle muchos ejemplos prácticos claros y esquemas, ilustrando cada función de los sistemas: procesos, memoria, planificación, sincronización, almacenamiento, entradas/salidas y define el tema de multiprocesos. Este libro está destinado a estudiantes de informática o profesores que necesitan documentos y ayudas para preparar cursos. Todos los aspectos de los sistemas operativos se abordan con detalles y de forma muy pedagógica. No cabe duda de que este tipo de obra tendrá un lugar privilegiado en las bibliotecas de los informáticos profesionales, profesores y estudiantes. Philippe ROOSE, PhD Director del departamento de Informática Responsable del Equipo de Investigación T2I/LIUPPA IUT de Bayonne - Universidad de Pau - Francia

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