Sistemas Operativos. Prólogo

Transcripción

1 Prólogo Las presentes notas son recopilaciones de diferentes libros básicos que se recomiendan a los estudiantes de nivel licenciatura para la materia de Sistemas Operativos, así como artículos, y manuales de programación que ayudan a ampliar la información. Se presentan también códigos básicos tomados de los libros base, así como algunas mejoras que se han llevado a cabo a lo largo de los cursos en los cuales he impartido la materia. Se recomienda tomar como punto de partida para la exploración el sistema operativo GNU/Linux, la distribución que considere pertinente, hago notar que los códigos presentados fueron probados bajo una distribución de Ubuntu. Nada de esto es comercial ni mucho menos para sacar un peso de algún lado, como les repito son recopilaciones de libros básicos como Sistemas Operativos de W. Stallings, Sistemas Operativos de M. Deitel, Sistemas Operativos de A. Tanenbaum, Sistemas Distribuidos de G. Coulouris, Sistemas Distribuidos de A. Tanenbaum, Sistemas Distribuidos de Mullender, Unix de C. Brown, Unix de F. M. Marquez, Unix de Robbins. Estas notas, digamos para colocarle un número de versión, son las 0.01, faltan demasiados detalles que pulir, figuras que colocar y tablas que actualizar, solo para justificar su primera liberación, diré a mi favor: necesito colocar estas notas para que las lean mis estudiantes, y no tengan excusa de no encontrar los libros en la biblioteca, pero si motivo de venir a verme y decirme que algo anda mal en estas páginas. Espero sea de utilidad! Hay golpes en la vida, tan fuertes... Yo no sé. Golpes como del odio de Dios; como si ante ellos, la resaca de todo lo sufrido se empozara en el alma... Yo no sé. Los heraldos negros. César Vallejo. 1

2 Capítulo 1 Introducción a los Sistemas Operativos Un sistema operativo (SO) se encarga de controlar y administrar los recursos con los que cuenta un dispositivo de comunicación, brindando con una interfaz para comunicar al usuario con el hardware. 1.1 Sistema Operativo Veamos primero algunas definiciones de algunos autores sobre qué es un sistema operativo, para comprender mejor lo necesario que es un sistema operativo para que un hardware puede ser utilizable. Definiciones 1. El software que controla el hardware. 2. Es un programa de aplicación que controla la ejecución de los programas de aplicación y que actúa como interfaz entre el usuario de una computadora y el hardware de la misma. 3. Es un administrador de recursos del dispositivo, tales como, los procesadores, los medios de almacenamiento, los dispositivos de entrada/salida, los medios de comunicación y los datos; y proporciona la interfaz con el usuario. Aunque podemos decir que en la definición 1, actualmente existe una tendencia significativa a la transferencia de las funciones del software al firmware, es decir, colocar un microcódigo incrustado en el hardware. Un sistema operativo tiene tres objetivos: 1. Comodidad. Hace que una computadora sea más cómoda de utilizar. 2. Eficiencia. Permite que los recursos de un sistema de computo se aprovechen más eficientemente. 3. Capacidad de evolución. Debe construirse de modo que permita el desarrollo efectivo, la verificación y la introducción de nuevas funciones en el sistema y, a la vez, no interferir en los servicios que brinda. 2

3 Jerarquía de elementos en una computadora El hardware y el software que se utilizan para proveer de aplicaciones a los usuarios pueden contemplarse de forma jerárquica (Figura 1-1). Usuario Final Aplicaciones Utilerías Sistema Operativo Hardware Figura 1-1. Jerarquía en el Sistema de Computo. Un sistema operativo ofrece servicios en las áreas siguientes: Creación de programas. Ofrece un conjunto de programas que no forman parte del S.O. pero son accesibles a través de él como son: los editores y los depuradores. Ejecución de programas. Se encarga de administrar las instrucciones y los datos que se deben cargar en la memoria principal, los archivos y los dispositivos de E/ S. Acceso a los dispositivos de E/S. Cada dispositivo de E/S requiere un conjunto propio y peculiar de instrucciones o de señales de control para su funcionamiento. El S.O. tiene en cuenta estos detalles de modo que el programador solo piensa en forma de lecturas y escrituras simples. Acceso controlado a los archivos. El S.O. se encarga de los detalles del control del dispositivo de E/S y en el caso de sistemas con varios usuarios trabajando simultáneamente, el S.O. brinda los mecanismos de control para el acceso a los archivos. Acceso al sistema. Las funciones de acceso al sistema brindan protección a los recursos y a los datos, ante usuarios no autorizados y debe resolver los conflictos en la propiedad de los recursos. Detección y respuesta a errores. El S.O. debe dar una respuesta que elimine la condición de error con el menor impacto posible sobre las aplicaciones que están en ejecución. La respuesta puede ser desde terminar el programa que produjo el error, hasta reintentar la operación o, simplemente informar del error a la aplicación. Contabilidad. Un buen sistema operativo debe recoger estadística de utilización de los diversos recursos y supervisar los parámetros de rendimiento tales como el tiempo de respuesta. 3

4 1.3 Clasificación de los sistemas operativos Con el paso del tiempo, los sistemas operativos fueron clasificándose de diferentes maneras, dependiendo del uso o de la aplicación que se les da. Hoy en día los sistemas los podemos clasificar en dos grandes grupos, los sistemas operativos para computadoras (ya sea para uno o varios procesadores) y los sistemas operativos para dispositivos móviles. A continuación se muestran una clasificación para los sistemas operativos de computadoras, y algunas de sus características. Sistemas Operativos por Lotes Los Sistemas Operativos por lotes, procesan una gran cantidad de trabajos con poca o ninguna interacción entre los usuarios y los programas en ejecución. Se reúnen todos los trabajos comunes para realizarlos al mismo tiempo, evitando la espera de dos o más trabajos como sucede en el procesamiento en serie. Estos sistemas son de los más tradicionales y antiguos, y fueron introducidos alrededor de 1956 para aumentar la capacidad de procesamiento de los programas. Cuando estos sistemas son bien planeados, pueden tener un tiempo de ejecución muy alto, porque el procesador es mejor utilizado y pueden ser simples, debido a la secuenciabilidad de la ejecución de los trabajos. Algunos ejemplos de Sistemas Operativos por lotes exitosos son el SCOPE, del DC6600, el cual está orientado a procesamiento científico pesado, y el EXEC II para el UNIVAC 1107, orientado a procesamiento académico. Algunas otras características son: Requiere que el programa, datos y órdenes al sistema sean remitidos todos juntos en forma de lote. Permiten poca o ninguna interacción usuario/programa en ejecución. Mayor potencial de utilización de recursos que procesamiento serial simple en sistemas multiusuarios. No conveniente para desarrollo de programas por bajo tiempo de retorno y depuración fuera de línea. Conveniente para programas de largos tiempos de ejecución. Se encuentra en muchos computadores personales combinados con procesamiento serial. Planificación del procesador sencilla, típicamente procesados en orden de llegada. Planificación de memoria sencilla, generalmente se divide en dos: parte residente del S.O. y programas transitorios. No requieren gestión crítica de dispositivos en el tiempo. Suelen proporcionar gestión sencilla de manejo de archivos: se requiere poca protección y ningún control de concurrencia para el acceso. Sistemas Operativos de Tiempo Real Los Sistemas Operativos de tiempo real son aquellos en los cuales no tiene importancia el usuario, sino los procesos. Por lo general, están subutilizados sus recursos con la finalidad de prestar atención a los procesos en el momento que lo requieran. Se utilizan en entornos donde son procesados un gran número de sucesos o eventos. Muchos Sistemas Operativos de tiempo real son construidos para aplicaciones muy específicas como control de tráfico aéreo, bolsas de valores, control de refinerías, control 4

5 de laminadores. También en el ramo automovilístico y de la electrónica de consumo. Otros campos de aplicación de los Sistemas Operativos de tiempo real son los siguientes: Control de trenes. Telecomunicaciones. Sistemas de fabricación integrada. Producción y distribución de energía eléctrica. Control de edificios. Sistemas multimedia. Algunos ejemplos de Sistemas Operativos de tiempo real son: VxWorks, Solaris, Lyns OS, Spectra, RTLinux. Los Sistemas Operativos de tiempo real, cuentan con las siguientes características: Se dan en entornos en donde deben ser aceptados y procesados gran cantidad de sucesos, la mayoría externos al sistema computacional, en breve tiempo o dentro de ciertos plazos. Se utilizan en control industrial, conmutación telefónica, control de vuelo, simulaciones en tiempo real, aplicaciones militares, etc. Procesa ráfagas de miles de interrupciones por segundo sin perder un solo suceso. Proceso se activa tras ocurrencia de suceso, mediante interrupción. Proceso de mayor prioridad expropia recursos. Por tanto generalmente se utiliza planificación expropiativa basada en prioridades. Administración de memoria menos exigente que tiempo compartido, usualmente procesos son residentes permanentes en memoria. Población de procesos estática en gran medida. Poco movimiento de programas entre almacenamiento secundario y memoria. Sistemas Operativos de multiprogramación ( Multitarea) Se distinguen por sus habilidades para poder soportar la ejecución de dos o más trabajos activos al mismo tiempo. Esto trae como resultado que la Unidad Central de Procesamiento siempre tenga alguna tarea que ejecutar, aprovechando al máximo su utilización. Su objetivo es tener a varias tareas en la memoria principal, de manera que cada uno está usando el procesador, o un procesador distinto, es decir, involucra máquinas con más de una CPU. Todos los sistemas operativos actuales soportan multitareas. UNIX, MACOS, LINUX, Windows, solo por mencionar los más conocidos. Las características de un Sistema Operativo de multiprogramación o multitarea son las siguientes: Mejora productividad del sistema y utilización de recursos. Multiplexa recursos entre varios programas. Generalmente soportan múltiples usuarios (multiusuarios). 5

6 Proporcionan facilidades para mantener el entorno de usuarios individuales. Requieren validación de usuario para seguridad y protección. Proporcionan contabilidad del uso de los recursos por parte de los usuarios. Sistemas Operativos Distribuidos. Permiten distribuir trabajos, tareas o procesos, entre un conjunto de procesadores. Puede ser que este conjunto de procesadores esté en un equipo o en diferentes, en este caso es trasparente para el usuario. Existen dos esquemas básicos de éstos. Un sistema fuertemente acoplado es a es aquel que comparte la memoria y un reloj global, cuyos tiempos de acceso son similares para todos los procesadores. En un sistema débilmente acoplado los procesadores no comparten ni memoria ni reloj, ya que cada uno cuenta con su memoria local. Los sistemas distribuidos deben de ser muy confiables, ya que si un componente del sistema se compone otro componente debe de ser capaz de reemplazarlo. Entre los diferentes Sistemas Operativos distribuidos que existen tenemos los siguientes: Sprite, Solaris-MC, Mach, Chorus, Spring, Amoeba, Taos, etc. Características de los Sistemas Operativos distribuidos: Colección de sistemas autónomos capaces de comunicación y cooperación mediante interconexiones hardware y software. Transparentes. Generalmente proporcionan medios para la compartición global de recursos. Servicios añadidos: denominación global, sistemas de archivos distribuidos, facilidades para distribución de cálculos. Sistemas Operativos de Red Son aquellos sistemas que mantienen a dos o más computadoras unidas a través de algún medio de comunicación (físico o no), con el objetivo primordial de poder compartir los diferentes recursos y la información del sistema. Sistemas Operativos Paralelos En estos tipos de Sistemas Operativos se pretende que cuando existan dos o más procesos que compitan por algún recurso se puedan realizar o ejecutar al mismo tiempo. En UNIX existe también la posibilidad de ejecutar programas sin tener que atenderlos en forma interactiva, simulando paralelismo (es decir, atender de manera concurrente varios procesos de un mismo usuario). Así, en lugar de esperar a que el proceso termine de ejecutarse (como lo haría normalmente), regresa a atender al usuario inmediatamente después de haber creado el proceso. 6

7 1.4 Sistemas Operativos para dispositivos móviles Por otra parte, se tiene actualmente los sistemas operativos de los dispositivos móviles, como son: Android, Iphone OS, BlackBerry OS, Symbian, PalmOS, aunque los dos últimos y han dejado de estar presente dado que fueron absorbidos por los tres primeros. Symbian Symbian es un SO que estaba incorporado en los celulares Nokia, su Core es común a todos los dispositivos, cuenta con: kernel, servidor de archivos, administración de memoria, y manejadores de drives. Cuenta con una capa de sistema de comunicación como: TCP/IP, IMAP4, SMS y un administrador de base de datos; Software para la interfaz con el usuario y un conjunto de aplicaciones. En Symbian cada proceso se ejecuta en un espacio de dirección protegido, así como también el kernel tiene su propio espacio protegido. Por lo cual permite que varios procesos sean ejecutados en forma concurrentes. Symbian está escrito en C++, así que es natural el desarrollo de aplicaciones en este lenguaje, aunque también admite el desarrollo en Java. El sistema es multitarea, y cuenta con un hilo principal, el cual se encarga de desprender nuevos hilos para las diferentes actividades a realizar. iphone iphone fue creado a partir del Mac OS X, para ser el sistema operativo nativo de los smartphone iphone, dispositivos touch ipod, y después para las tables ipad. La arquitectura del model de iphone está formada por los siguientes elementos: Capa de aplicaciones, formada por las aplicaciones nativas (calendario, fotos, camara, etc..) y aplicaciones instaladas por el cliente, desarrolladas por un tercero. Capa de Middleware, formada por tres subcapas o Cocoa Touch, este es un framework que proporciona infraestructura necesaria para los desarrolladores o Media, formada por aplicaciones graficas, framework de audio y video para o crear aplicaciones multimedias. Core Services, proporciona el sistema de servicio fundamental que todas las aplicaciones usan de forma directa o indirecta vía un framework de nivel alto. Los framework de address book, core data SQLite library, y Core Location son algunos de los componentes de esta capa. Kernel, formado entre otras cosas por los drivers, framework de seguridad, CFNetwork. 7

8 BlackBerry El SO BlackBerry es una plataforma de software desarrollada por Research In Motion (RIM) para sus dispositivos smartphone liberados en El SO cuenta con las siguientes caracteisticas: Es multitareas, El kernel está basado en Java, Utiliza una arquitectura ARM, El administrador de memoria divide está en tres secciones: Memoria para aplicaciones, Memoria del dispositivo, Memoria de la tarjeta (opcional) Android Android es otro sistema operativo para dispositivos mooviles, el cual tiene las siguientes características: Almacenamiento, usa SQLite para el alacenamiento de datos. Conectividad, soporta GSM/EDGE, IDEN, CDMA, UMTS, Bluetooth, Wifi, LTE, WiMax. Web Browser, Basado en WebKit open-source. Media, incluye soporte de: H.263, H.264, MPEG-4 SP, AMR, AMR-WB, AAC, HE-AAC, MP3, MIDI, Ogg Vorbis, WAV, JPEG, PNG, GIF y BMP. Soporte de Hardware, Sensor acelerometro, camara, brújula digital, sensor de aproximación, y GPS Multi touch, pantalla multi touch Multitareas, soporta aplicaciones multitareas. Tethering o pasarela En runtime contiene librerias Core y la máquina virtual Dalvik En el kernel que es Linux contiene: Driver Display, Driver de Camara, Driver de Memoria Flash, Driver binder (IPC), Driver Keypad, Driver Wifi, Driver de Audio, Administrador de energía Android está basado en Linux, cuenta con un administrador de memoria, administrador de procesos, mecanismos IPC. En 2005 Google para entrar en la competencia de moviles, propone Androind, sistema operativo basado en una versión modificada de Linux, colocando así a Android como un sistema abierto y libre. Por lo que Android es liberado con una licencia Apache Open-Source. 8

9 1.5 Partes claves de los sistemas operativos Los procesos La gestión de memoria La seguridad y la protección de la información La planificación y la gestión de recursos La estructura del sistema Los errores frecuentes en los procesos son: Sincronización incorrecta: Es frecuente el caso en el que una rutina debe ser suspendida a la espera de un suceso en cualquier lugar del sistema. Por ejemplo, un programa inicia una lectura de E/S y debe esperar hasta que los datos están disponibles en un buffer antes de continuar. En tales casos se requiere alguna señal proveniente de alguna otra rutina. Fallos de exclusión mutua: Es habitual el caso en que más de un usuario o programa intenta a la vez hacer uso de un recurso compartido. Por ejemplo, en un sistema de reservas de líneas aéreas. Si no se controlan estos accesos, puede producirse un error. Debe existir algún tipo de mecanismo de exclusión mutua que permita que sólo una rutina a la vez pueda realizar una transacción sobre una determinada parte de los datos. Funcionamiento no determinista del programa: Los resultados de un programa en particular deben depender normalmente sólo de la entrada del programa y no de las actividades de otros programas en un sistema compartido. Pero cuando los programas comparten memoria y sus ejecuciones son intercaladas por el procesador, entonces pueden interferir con otros, sobre escribiendo zonas comunes de memoria de forma incierta. Así pues, el orden en que se organiza la ejecución de varios programas puede influir en los resultados de un programa en particular. Interbloqueos: Es posible que dos o más programas estén suspendidos a la espera uno del otro. El S.O. tiene cinco responsabilidades principales en la administración de almacenamiento: Aislamiento del proceso: El sistema operativo debe procurar que cada proceso independiente no interfiera con los datos y la memoria de ningún otro. Asignación y gestión automática: A los programas se les debe asignar memoria dinámicamente en la jerarquía de memoria, según la vayan necesitando. Este proceso debe ser transparente para el programador. Soporte para la programación modular: Los programadores deben ser capaces de definir módulos de programa y de crear, destruir y alterar el tamaño de los módulos dinámicamente. Protección y control de acceso: El s.o. debe permitir que las secciones de memoria estén accesibles de varias maneras para los diversos usuarios. Almacenamiento a largo plazo: Muchos usuarios y aplicaciones necesitan medios para almacenar información por largos periodos de tiempo. Normalmente, los s.o. satisfacen estos requisitos mediante la memoria virtual y los servicios del sistema de archivos. La memoria virtual es un servicio que permite a los programas direccionar la memoria desde un punto de vista lógico, sin depender del tamaño de la memoria principal física disponible. 9

10 El crecimiento de la utilización de los sistemas de tiempo compartido y, las redes de computadoras ha traído consigo un aumento en las preocupaciones de seguridad y protección de información. Se han identificado cuatro clases de políticas generales de protección, en orden creciente de dificultad: No compartición: Los procesos están completamente aislados uno del otro y cada proceso tiene control exclusivo sobre los recursos que le fueron asignados estática o dinámicamente. Con esta política, los procesos suelen compartir los programas o archivos de datos haciendo copias y pasándolas a su propia memoria virtual. Compartiendo los originales de los programas o archivos de datos: Una única copia física de un programa puede aparecer en varios espacios de memoria virtual como archivos de sólo lectura. Subsistemas confinados o sin memoria: En este caso, los procesos se agrupan en subsistemas para cumplir una política de protección en particular. Por ejemplo, un proceso cliente llama a un proceso servidor para llevar a cabo cierta tarea con los datos. El servidor se protegerá de que el cliente descubra el algoritmo con el cual se lleva a cabo su trabajo y el cliente se protegerá de que el servidor retenga alguna información sobre el trabajo que está llevando a cabo. Diseminación controlada de la información: A los usuarios y a las aplicaciones se les dan credenciales de seguridad de un cierto nivel, mientras que a los datos y a otros recursos (p.e. los dispositivos de E/S) se les dota de clasificaciones de seguridad. La política de seguridad hace cumplir las restricciones relativas a qué usuarios tiene acceso a qué clasificaciones. Control de acceso: Tiene que ver con la regulación del acceso del usuario al sistema completo, a los subsistemas y a los datos, así como a regular el acceso de los procesos a los recursos y objetos del sistema. Control del flujo de información: Regula el flujo de datos dentro del sistema y su distribución a los usuarios. Certificación: Es relativa a la demostración de que el acceso y los mecanismos de control del flujo se llevan a cabo de acuerdo a las especificaciones y a que estas cumplen las políticas de protección y seguridad deseadas. Una tarea clave del s.o. es administrar los recursos que tiene disponibles y planificar su utilización por parte de los diferentes procesos activos. Cualquier política de planificación y administración de recursos cuenta con los tres factores siguientes: Equidad: Sería conveniente que a todos los procesos que compitan por el uso de un recurso se les otorgue un acceso igualitario y equitativo, especialmente si estos procesos pertenecen a la misma clase. Sensibilidades diferenciales: El sistema operativo debe intentar tomar decisiones de asignación y planificación que satisfagan la totalidad de los requisitos. El s.o. debe contemplar estas decisiones dinámicamente. Por ejemplo, si un proceso está esperando por el uso de un dispositivo de E/S, el s.o. puede querer planificar la ejecución de dicho proceso tan pronto como sea posible y así tener disponible al dispositivo para las demandas de otros procesos. Eficiencia: El s.o. debe intentar maximizar la productividad, minimizar el tiempo de respuesta y, en el caso de tiempo compartido, alojar a tantos usuarios como sea posible. 10

11 La tarea de planificación y gestión de recursos es básicamente un problema de investigación operativa, así que se pueden aplicar los resultados matemáticos de esta disciplina. Hablemos ahora de la parte clave de un sistema operativo, la Estructura del sistema. El tamaño de un sistema operativo completo y la dificultad de las tareas que lleva a cabo plantean tres problemas desafortunados pero demasiado habituales: Los sistemas operativos cuando se entregan ya están cronológicamente retrasados. Esto conduce a nuevos sistemas operativos y actualizaciones de los anteriores. Los sistemas tienen fallos latentes que se manifiestan en el terreno y que deben ser detectados y corregidos. Su rendimiento no es a menudo el que se esperaba. Tabla 1-1. Jerarquía del Diseño de un Sistema Operativo. Nivel Nombre Objetos Ejemplos de operaciones 13 Shell Entorno de programación Sentencias de un lenguaje de del usuario. shell 12 Procesos de usuario Procesos de usuario. Salir, eliminar, suspender, reanudar. 11 Directorios Directorios. Crear, destruir, conectar, desconectar, buscar, listar 10 Dispositivos Dispositivos externos tales como impresoras, Crear, destruir, abrir, cerrar, leer, escribir pantallas y teclados. 9 Sistema de archivos Archivos. Crear, destruir, abrir, cerrar, leer, escribir 8 Comunicaciones Tubos (pipes). Crear, destruir, abrir, cerrar, leer, escribir 7 Memoria virtual Segmentos, páginas. Leer, escribir, traer (fech) 6 Almacenamiento Bloques de datos, Leer, escribir, asignar, liberar secundario local canales de dispositivos. 5 Procesos primitivos. Procesos primitivos, semáforos, colas de procesos listos. Suspender, reanudar, esperar, señalizar. 4 Interrupciones Programas de tratamiento Invocar, enmascarar, de interrupciones. desenmascarar, reintentar. 3 Procedimientos. Procedimientos, pila de Marcar la pila, llamar, retornar. llamadas, visualización. 2 Conjunto de instrucciones Evaluación de la pila, intérprete de Cargar, almacenar, sumar, restar, bifurcar. microprogramas, vectores de datos y escalares. 1 Circuitos electrónicos Registros, puertas, buses, Borrar, transferir, activar, etc. completar. 11

12 Capítulo 2 Procesos e Hilos Un proceso es una entidad en ejecución que tiene asociada un identificador para poder ser identificado. En el sistema se cuenta con procesos pesados, llamados hijos, y procesos ligeros, llamados hilos. 2.1 PROCESOS Todos los sistemas de multiprogramación están construidos en torno al concepto de procesos. El modelo más sencillo que puede construirse tiene en cuenta que, en un momento dado, un proceso puede estar ejecutándose en el procesador o no. Así pues, un proceso puede estar en uno de dos estados: Ejecución o No ejecución (Figura 2-1). Figura 2-1. Diagrama de transición de estados. Aún en este modelo tan simple se puede apreciar algunos de los elementos del diseño del sistema operativo, cada proceso debe representarse de forma que el sistema operativo pueda seguirle la pista. Esto es, debe haber información relativa a cada proceso, incluyendo su estado actual y su posición en memoria. Aquellos procesos que no están ejecutándose tiene que guardarse en algún tipo de cola, para que esperen su turno de ejecución (Figura 2-2). La vida de un proceso está limitada por su creación y su terminación. 12

13 Figura 2-2. Diagrama de colas. Creación de procesos Cuando se añade un proceso a los que ya está administrando el sistema operativo hay que construir las estructuras de datos que se utilizan para administrar el proceso y asignar el espacio de direcciones que va a utilizar el proceso. Existen cuatro sucesos comunes que llevan a la creación de un proceso: En un entorno de trabajo por lotes, un proceso se crea como respuesta a la remisión de un trabajo. En un entorno interactivo, se crea un proceso cuando un nuevo usuario intenta conectarse. Proceso generado por un proceso existente. Creado por el S.O. para dar un servicio. Cuando un proceso genera otro, el proceso generador se conoce como proceso padre y el proceso generado es el proceso hijo. Normalmente, estos procesos emparentados necesitarán comunicarse y cooperar entre sí. Terminación de procesos En cualquier sistema, debe haber alguna forma de que un proceso pueda indicar que ha terminado (vea Tabla 2-1). Terminación normal Tiempo límite excedido No hay memoria disponible. Violación de límites. Error de protección. Error aritmético. Tabla 2-1. Terminación de proceso. Razones para terminación de un proceso El proceso ejecuta una llamada a un servicio del SO que indica que ha terminado de ejecutarse. El proceso se ha ejecutado por más del límite especificado. El proceso necesita más memoria de la que el sistema le puede proporcionar. El proceso trata de acceder a una posición de memoria a la que no le está permitido. El proceso intenta utilizar un recurso o un archivo que no le está permitido utilizar, o trata de utilizarlo de forma incorrecta, como escribir en un archivo que es sólo de lectura. El proceso intenta hacer un cálculo prohibido, o trata de almacenar un número mayor del que el hardware acepta. 13

14 Tiempo máximo de espera rebasado. Fallo de E/S Instrucción privilegiada. Intervención del operador o del SO. Terminación del padre. Solicitud del padre. El proceso ha esperado más allá del tiempo máximo especificado para que se produzca cierto suceso. Se produce un error en la entrada o la salida, tal como no encontrar un archivo, un fallo de lectura o escritura después de un número máximo de intentos. El proceso intenta usar una instrucción reservada para el SO. Por alguna razón el operador o el sistema operativo terminan con el proceso. Cuando un proceso padre finaliza, el SO. Puede diseñarse para terminar automáticamente con todos sus descendientes. Un proceso padre tiene normalmente la autorización de terminar con cualquiera de sus descendientes. Identificadores de procesos Todo proceso tiene asociado un identificador (número positivo PID) y un padre con su respectivo identificador (número de proceso que ha creado al proceso actual PPID). Para obtener estos valores se utilizan los llamados getpid y getppid, respectivamente. Los procesos pueden estar agrupados en conjuntos que tienen alguna característica en común, como ejemplo el mismo padre. Para determinar a que grupo pertenece un proceso, se utiliza getpgrp, y para cambiar a un proceso como líder de un grupo se hace uso del llamado setpgrp. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <sys/types.h>! #include <unistd.h>! pid_t getpgrp(void);! pid_t setpgrp(void); Se debe tener en consideración que cuando el proceso padre llega a morir antes que los hijos, el PPID del proceso hijo toma el valor de 1, que es el proceso init. Estado de un proceso (modelo de cinco estados) Si todos los procesos estuvieran siempre listos para ejecutar, entonces la disciplina de cola propuesta anteriormente sería eficaz, sin embargo, aún en el simple ejemplo que se ha descrito, esta implementación no es adecuada: algunos procesos en el estado de No Ejecución están listos para ejecutar, mientras que otros están bloqueados, esperando a que termine una operación de E/S. Así pues, utilizando una cola sencilla, el distribuidor podría no seleccionar exactamente el proceso que está en el extremo más antiguo de la 14

15 cola. Más bien, el distribuidor tendría que recorrer la lista buscando el proceso que no esté no bloqueado y que lleve más tiempo en la cola. Una forma más natural de afrontar esta situación es dividir el estado de No Ejecución en dos estados: Listo y Bloqueado. De esta forma contamos ahora con cinco estados (Figura 2-3): Ejecución. Proceso que está actualmente en ejecución. Listo. Proceso que está preparado para ejecutar, en cuanto se le dé la oportunidad. Bloqueado. Proceso que no puede ejecutarse hasta que se produzca cierto suceso, como la terminación de una operación de E/S. Nuevo. Proceso que se acaba de crear, pero que aún no ha sido admitido por el sistema operativo en el grupo de procesos ejecutables. Terminado. Proceso que ha sido excluido del grupo de procesos ejecutables, bien porque se detuvo o porque fue abandonado por alguna razón. Seleccionado para ejecución Ejecutado Terminación normal/anormal Nuevo Proceso creado Listo Tiempo terminado Solicitud de E/S Hecho E/S completa Bloqueado Figura 2-3. Diagrama de estado para un sistema operativo sencillo. Un proceso puede moverse voluntariamente al estado bloqueado haciendo una llamada a una función como sleep. EJERCICIO PROPUESTO 1. Investigue los procesos activos en su sistema. a) Que instrucción le permite visualizarlos? b) Qué parámetros son utilizados con dicha instrucción? 2. En el sistema Linux, investigue el uso del comando ps, y del comando top a) Cuál es la diferencia entre ellos? b) Cuál es el proceso 1? 15

16 c) Quién es el padre del proceso 1? Creación de procesos en Linux Linux crea los procesos a través de una llamada fork al sistema, copiado la imagen en memoria que tiene el proceso padre. El nuevo proceso recibe una copia del espacio de direcciones del padre. Los procesos continúan su ejecución en la instrucción que está después del fork. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN! #include <sys/types.h>! #include <unistd.h>! pid_t fork(void); La creación de dos procesos totalmente idénticos no es algo muy útil. El valor devuelto por fork es la característica distintiva, importante, que permite que el padre y el hijo ejecuten código distinto. El fork devuelve 0 al hijo y el ID del hijo al padre. EJEMPLO. En el siguiente fragmento de código tanto el padre como el hijo ejecutan la instrucción de asignación x =1 después del regreso de fork. #include <sys/types.h> #include <unistd.h> x = 0; fork(); x = 1; fork crea procesos nuevos haciendo una copia de la imagen del padre en la memoria. El hijo hereda la mayor parte de los atributos del padre, incluyendo el ambiente y los privilegios. El hijo también hereda algunos de los recursos del padre, tales como los archivos y dispositivos abiertos. No todos los atributos o recursos del padre son heredados por el hijo. Este último tiene un ID de proceso nuevo y, claro que es diferente del ID del padre. Los tiempos del hijo para el uso del CPU son iniciados a 0. El hijo no obtiene los 16

17 bloqueos que el padre mantiene. Si el padre ha colocado una alarma, el hijo no recibe notificación alguna del momento en que ésta expira. El hijo comienza sin señales pendientes, aunque el padre las tenga en el momento en que se ejecuta el fork. Aunque el hijo hereda la prioridad del padre y los atributos de la administración de procesos, tiene que competir con otros procesos, como entidad aparte, por el tiempo del procesador. El identificador del proceso se recupera por medio de la instrucción getpid(), y el identificador del proceso que es su padre por medio de la instrucción getppid(). Los prototipos de estas instrucciones son las siguientes. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <sys/types.h>! #include <unistd.h>! pid_t getpid(void); PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <sys/types.h>! #include <unistd.h>! pid_t getppid(void); El tipo de dato pid_t representa el ID del proceso. De esta manera se puede obtener el ID del proceso invocando getpid; y la función getppid retorna el ID del proceso padre del proceso actual. El tipo de dato pid_t es un tipo entero con signo el cual representa el ID del proceso. En la librería GNU C, esto es un int. EJEMPLO. En el siguiente ejemplo después de la llamada fork, los procesos padre e hijo imprimen sus identificadores. #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> 17

18 pid_t hijo; void main (void) if ( (hijo = fork ( )) = = 0) fprintf (stderr, soy el hijo, ID= %ld\n, (long)getpid()); /* Aquí coloca el código que deseas que realice el proceso hijo */ else if (hijo > 0) fprintf (stderr, soy el padre, ID = %ld\n, (long)getpid()); /* Aquí coloca el código que deseas que realice el proceso padre */ EJEMPLO. Con el siguiente fragmento de código se crea una cadena de n procesos. #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int i, n; pid_t hijo; void main (void) for (i = 1; i < n; i++) if (hijo = fork()) break; /* mientras no sea diferente de cero, es decir, no exista error */ fprintf (stderr, Este es el proceso %ld con padre %ld \n, (long)getpid(), (long)getppid()); EJEMPLO. El siguiente fragmento de código crea un abanico de procesos. #include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int i, n; pid_t hijo; void main (void) for (i = 1; i < n; i++) if (hijo = fork() <=0) break; /* después de crear un proceso, el proceso creador termina */ fprintf (stderr, Este es el proceso %ld con padre %ld \n, (long)getpid(), (long)getppid()); 18

19 El sistema de llamada wait () Qué sucede con el proceso padre después de que éste crea un hijo? Tanto el padre como el hijo continúan la ejecución desde el punto donde se hace la llamada a fork. Si el padre desea esperar hasta que el hijo termine, entonces debe ejecutar una llamada a wait o a waitpid. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> pid_t wait (int *stat_loc) La llamada al sistema wait detiene el proceso que llama hasta que un hijo de éste termine o se detenga, o hasta que el proceso que la invocó reciba una señal. wait regresa de inmediato si el proceso no tiene hijos o si el hijo termina o se detiene y aún no se ha solicitado la espera. Si wait regresa debido a la terminación de un hijo, el valor devuelto es positivo e igual al ID de proceso de dicho hijo. De lo contrario, wait devuelve 1 y pone un valor en errno. Si errno es igual a ECHILD, indica que no existen procesos hijos a los cuales hay que esperar. Si errno es igual a EINTR, la llamada fue interrumpida por una señal. stat_loc es un apuntador a una variable entera. Después del llamado a wait, el estado de la información almacenada en la localidad apuntada por stat_loc puede ser analizada aplicando los siguiente macros: WIFEXITED (*stat_loc). Si en la evaluación el valor no es cero (true) entonces el proceso hijo termino normal. WEXITSTATUS (*stat_loc). Si el proceso hijo termina normalmente, este macro evalúa los 8 bits mas bajos del valor pasado por la función exit, _exit o return desde la función main. WIFSIGNALED (*stat_loc). Si en la evaluación el valor no es cero (true) el proceso hijo termino porque recibió una señal no controlada. WTERMSIG (*stat_loc). Si el proceso hijo finaliza por una señal que no fue capturada, este macro evalúa el número de la señal. El hijo regresa su estado llamando a exit, _exit o return. Por otra parte cuando se necesite esperar que un proceso especifico termine, se debe utilizar la función waitpid la cual suspende la ejecución del proceso en curso hasta que el hijo especificado por el argumento pid ha terminado, o hasta que se produce una señal 19

20 cuya acción es finalizar el proceso actual o llamar a la función manejadora de la señal. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> pid_t waitpid (pid_t pid, int *status, int options) *status es la localidad en la cual se devuelve la información del estado de terminación del hijo, pid contiene un valor que puede ser, -1 para indicar que espera a cualquier hijo, positivo indica que debe esperar al proceso cuyo PID sea ese número, 0 para indicar que espere a cualquier hijo cuyo Process Group ID sea igual al del proceso que invoco el llamado, negativo indica que espere a cualquier proceso cuyo Process Group ID sea igual al valor absoluto de PID. En options se coloca una combinación de las siguientes banderas: WEXITED que espera por hijos que hayan terminado, WSTOPPED que espera por hijos que hayan sido parados por recibir una señal, WNOHANG que no espera por un hijo que esta en ejecución, WNOWAIT deja al hijo sin modificar ni marcar en la tabla de procesos, tal que una posterior llamada se comportaría como si no hubiésemos hecho wait por dicho hijo, WUNTRACED que no esperar si el hijo está parado a no ser que este siendo trazado, WCONTINUED volver si un hijo ha continuado ejecutándose tras mandarle la señal SIGCONT. Las banderas WUNTRACED y WCONTINUED solo son efectivas si SA_NOCLDSTOP no ha sido establecida para la señal SIGCHLD. Terminación de procesos Como se ha visto el proceso debe terminar de alguna manera, es decir, de forma normal o anormal. Lo que se desea es una terminación normal, en el mejor de los casos, para esto el proceso debe hacer un llamado a la función exit. Esta función se encarga de retirar los recursos que está utilizando el proceso, así como dejarlo preparado para su eliminación, quitarlo del planificador e indicar su terminación a su padre, por medio de la señal SIGCHLD. Para pasar de un estado a otro se define un estado transitorio que en el sistema se le llama zombie. En linux si el proceso que termina no tuviera padre, ya que este acabó antes que él, se eliminaría directamente del planificador en la llamada exit, y es adoptado por el proceso 1 (init). 20

21 PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <stdlib.h> void exit (int status) El llamado a exit () termina la ejecución del proceso y devuelve el valor de estatus al proceso padre. Desde el sistema en Linux se puede consultar lo que devuelve el último proceso que finaliza por medio de la variable de entorno?. Ejemplo. Programa que muestra el empleo de wait. #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> main() pid_t hijo; int estado; if ( (hijo=fork()) == -1) perror ("fallo el fork"); exit (1); else if (hijo == 0) fprintf (stderr, "soy el hijo con pid = %ld \n", (long) getpid()); else if (wait(&estado)!=hijo) fprintf (stderr, "una señal debio interrumpir la espera \n"); else fprintf (stderr, "soy el padre con pid = %ld e hijo con pid = %ld\n", (long)getpid(),(long)hijo); exit(0); Descripción de procesos El Sistema Operativo es el controlador de los sucesos que se producen en un sistema de computo. Es el Sistema Operativo el que planifica y expide a los procesos para su ejecución en el procesador, el que asigna los recursos a los procesos y el que 21

22 responde a las solicitudes de servicios básicos realizadas por los programas de usuario. Este concepto queda ilustrado en la Figura 2-4. Tabla de memoria Imagen del proceso Memoria Dispositivos Archivos Procesos Tabla de E/S Tabla de archivos Tabla de procesos proceso 1 proceso 2 proceso 3. proceso n Proceso 1 Imagen del proceso Proceso n Figura 2-4. Procesos y recursos. 2.2 Estructuras de control del sistema operativo Si el Sistema Operativo va a administrar los procesos y los recursos, entonces tiene que disponer de información sobre el estado actual de cada proceso y de cada recurso. El método universal para obtener esta información es sencillo: el sistema operativo construye y mantiene tablas de información sobre cada entidad que esté administrando. P1 P2 Pn Memoria Virtual Recursos Procesador E/S E/S E/S Memoria Principal Figura 2-5. Procesos y recursos. Debemos tener claro que las tablas deben estar enlazadas o disponer de referencias cruzadas de alguna manera. La memoria, la E/S y los archivos son administrados en nombre de los procesos, por lo que debe haber alguna referencia directa o indirecta a estos recursos en la tablas de procesos. Los archivos que son referidos en las tablas de archivos son accesibles a través de un dispositivo de E/S y, algunas veces, estarán en memoria principal o en memoria virtual (Figura 2-5). 22

23 Operaciones sobre procesos Los sistemas que administran procesos deben ser capaces de realizar ciertas operaciones sobre los procesos y con ellos. Tales operaciones incluyen: Crear un proceso Destruir un proceso Suspender un proceso Reanudar un proceso Cambiar la prioridad de un proceso Bloquear un proceso Despertar un proceso Despachar un proceso Permitir que un proceso se comunique con otro (comunicación entre procesos) Crear un proceso implica operaciones tales como: Dar un nombre al proceso Insertarlo en la lista de procesos conocidos del sistema (o tabla de procesos) Determinar la prioridad inicial del proceso Crear el bloque de control de proceso Asignar los recursos iniciales al proceso. 2.3 Sistema de llamada exec La llamada fork al sistema crea una copia del proceso que la llama. Muchas aplicaciones requieren que el proceso hijo ejecute un código diferente del de su padre. La familia exec de llamadas al sistema proporciona una característica que permite traslapar al proceso que llama con un módulo ejecutable nuevo. La manera tradicional de utilizar la combinación fork-exec es dejar que el hijo ejecute el exec para el nuevo programa mientras el padre continúa con la ejecución del código original. Existen seis variaciones de la llamada exec al sistema, las cuales se distinguen por la forma en que son pasados los argumentos de la línea de comando y el ambiente, y por si es necesario proporcionar la ruta de acceso y el nombre del archivo ejecutable. execl (execl, execlp y execle). Pasan los argumentos de la línea de comando como una lista y son útiles si se conoce el número de argumentos de la línea de comando en el momento de la compilación. 23

24 PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <unistd.h> int execl (const char *path, const char *arg0,, const char *argn, char * / *NULL*/); int execle (const char *path, const char *arg0,, const char *argn, char * /*NULL*/, const char *envp[]); int execlp (const char *file, const char *arg0,,const char *argn, char */*NULL*/); execv (execv, execvp y execve). Pasan los argumentos de la línea de comando en un arreglo de argumentos. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <unistd.h> int execv (const char *path, const char *argv[]); int execvp (const char *file, const char *argv[]); int execve (const char * path, const char *argv[], const char *envp[]); EJEMPLO. Programa que crea un proceso para ejecutar ls l. #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> main( ) pid_t hijo; int estado; if (( hijo = fork( )) = = -1) perror ( Error al ejecutar fork ); exit (1); 24

25 else if (hijo = = 0) if (execl ( /usr/bin/ls, ls, -l, NULL) < 0) perror ( Falla en la ejecución de ls ); exit (1); else if (hijo! = wait (&estado)) perror ( Se presento una señal antes de la terminación del hijo ); exit (0); NOTA. La función perror muestra un mensaje con el error estándar seguido por el de la última llamada al sistema o la biblioteca que lo produjo. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <stdio.h> int perror ( const char *s) El DIAGRAMA de estado para los procesos de UNIX es bastante complejo. El proceso se está ejecutando en modo usuario. El proceso se está ejecutando en modo kernel. El proceso no se está ejecutando, pero está listo para ejecutarse tan pronto como el kernel lo ordene. El proceso está durmiendo cargado en memoria. El proceso está listo para ejecutarse, pero el swapper (proceso 0) debe cargar el proceso en memoria antes de que el kernel pueda ordenar que pase a ejecutarse. El proceso está durmiendo y el swappper ha descargado el proceso hacia una memoria secundaria (área de swap del disco) para crear espacio en la memoria principal donde poder cargar otros procesos. El proceso está volviendo del modo kernel al modo usuario, pero el kernel se apropia del proceso y hace un cambio de contexto, pasando otro proceso a ejecutarse en modo usuario. El proceso acaba de ser creado y está en un estado de transición; el proceso existe, pero ni está preparado para ejecutarse (estado 3), ni durmiendo (estado 4). Este estado es el inicial para todos los procesos, excepto el proceso 0. El proceso ejecuta la llamada exit y pasa al estado zombi. El proceso ya no existe, pero deja para su proceso padre un registro que contiene el código de salida y 25

26 algunos datos estadísticos tales como los tiempos de ejecución. El estado zombi es el estado final de un proceso. // Colocar figura de estados de los procesos en UNIX 2.4. Hilos Los hilos representan una manera de trabajar con diferentes procesos no emparentados. Para utilizarlos se necesita contar con la librería pthreads que es un estándar de POSIX (Portable Operating System Interface). Para los sistemas UNIX, un estándar de programación C para interface de programación de hilos se encuentra especificada por el estándar IEEE POSIX c. Las implementaciones que se basan en este estándar son referenciados como POSIX threads o Pthreads. La diferencia entre un hilo y un proceso es que los procesos no comparten la misma memoria, mientras que los hilos sí comparten totalmente la memoria entre ellos. Para la creación de los hilos se usan las funciones de la librería pthread o de cualquier otra que soporte threads mientras que para crear procesos usaremos la llamada al sistema fork(). Para compilar programas que hagan uso de la librería pthread, usando GNU cc o GNU Compiler Collection gcc ejecutamos la orden: o cc programa_con_pthreads.c -o programa_con_pthreads -lpthread gcc programa_con_pthreads.c -o programa_con_pthreads -lpthread Tabla 2-2. Lista de llamados en POSIX 1.c. Descripción POSIX Gestión de hilos pthread_create pthread_exit pthread_kill pthread_join pthread_self Exclusión mutua pthread_mutex_init pthread_mutex_destroy pthread_mutex_lock pthread_mutex_trylock pthread_mutex_unlock 26

27 variables de condición pthread_cond_init pthread_cond_destroy pthread_cond_wait pthread_cond_timedwait pthread_cond_signal pthread_cond_broadcast Creación de hilos La función pthread_create es usada para crear un hilo, con ciertos atributos, y esté ejecutará una determinada función o subrutina con los argumentos que se le indique. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <pthread.h> int pthread_create (pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void* (*start_routine) (void *), void *arg) Los atributos para un proceso son especificados en attr, si attr es NULL, el atributo por omisión es usado. Si la función se realiza con éxito, se almacena el ID del hilo en la localidad referenciada por thread. El hilo que está creado ejecuta la función o rutina start_routine con arg como su argumento. Si necesitamos pasar o devolver más de un parámetro a la vez, se puede crear una estructura y colocar ahí los campos necesarios. Luego se pasa o se devuelve la dirección de esta estructura como único parámetro. Cuando finaliza start_routine se llama implícitamente a pthread_exit() o su equivalente. El estado de las señales del nuevo hilo será: Se heredará la máscara de señales del hilo creador El conjunto de señales pendientes del nuevo hilo estará vacío. Un hilo termina si: Se llama a pthread_exit(), especificando un valor de estado final que es disponible para otros hilos en el mismo proceso llamando a pthread_join() Realiza un return desde start_routine que es equivalente a pthread_exit() Es cancelado pthread_cancel() El hilo principal ejecuta un return desde main. Causando la terminación de todos los hilos. 27

28 pthread_create retorna 0 en caso de éxito, o un número de error en otro caso, y el contenido de *thread se indefine. Los errores que pueden retornados en errno son: EAGAIN. Insuficiente recursos para crear un hilo, o el límite de los hilos del sistema fueron alcanzados (en Linux vea /proc/sys/kernel/threads-max) EINVAL. Inválido el atributo. EPERM. Política de planificación no permitida y los parámetros de attr. Terminación de un hilo La función pthread_exit() terminará la ejecución del hilo que haga su invocación y hará disponible el valor value_ptr para cualquier join con éxito con el hilo que hace la llamada. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <pthread.h> int pthread_exit (void *value_ptr) Atributos de un hilo La función pthread_attr_init () se encarga de inicializar el objeto de atributos attr del hilo con los valores por defecto utilizado en una implementación. PROTOTIPO DE LA FUNCIÓN #include <pthread.h> int pthread_attr_init ( pthread_attr_t *attr) Destrucción de los atributos de un hilo La función pthread_attr_destroy () se encarga de destruir el objeto de atributos attr del hilo con valores no definidos en una implementación. Un objeto de atributos destruido con función podrá ser inicializado posteriormente con la función pthread_attr_init(). 28