Silberschatz and Galvin 1999 4.1 Operating System Concepts Unidade 4: Processos Conceito de...

Operating System Concepts Silberschatz and Galvin 1999 4.1

Unidade 4: Processos

• Conceito de Processos

• Agenciamento de Processos

• Operações em cima de Processos

• Processos cooperativos

• Comunicação entre processos


Conceito de Processos

• Um sistema operacional executa uma programas variados :

– tarefas em lote (batch)

– programas de usuários em tempo compartilhado

• O uso das palavras tarefa (job) e processo é quasi sinônimo.

• Processo – um programa em execução; a execução deve proceder de forma seqüencial.

• Um processo inclui:

– contador de programa

– pilha

– segmentos de código e segmentos de dados


Estado de um processo

• Enquanto um processo executa, ele muda de estado

– novo: O processo esta sendo criado.

– rodando: Instruções estão sendo executadas.

– esperando: O processo espera algum evento.

– pronto: O processo está esperando de tomar conta da CPU.

– Terminado: O processo terminou execução.


Diagram of Process State


Segmento de Controle do Processo (PCB)

Contem informações asociados ao processo.

• Estado do Processo

• informação sobre agenciamento

• Contador de Programa

• registros da CPU

• seletores de segmentos usados

• informações estatísticas

• informação sobre estado de entrada/saída


Process Control Block (PCB)


Chaveamento da CPUde um Processo para outro Processo


Filas de Scheduling de Processos

• Fila de Tarefas – conjunto de todos os processos do sistema.

• Fila de Prontas – conjunto de todos os processos que estão na memória, prontos para rodar.

• Fila de Dispositivos – conjunto de processos esperando por um dispositivo de entrada/saída.

• Processos são passados de uma fila para outra.


A fila de Prontas e várias filas de Dispositivos


Representação de Scheduling de Processos


Schedulers

• Longo prazo – seleciona qual processo é colocado na file de Prontas.

• Curto prazo (ou scheduler da CPU) – seleciona qual processo deve ser o próximo a ser executado e aloca a CPU.


Adicionando Scheduling a médio prazo


Schedulers (Cont.)

• Scheduler a curto prazo é chamado freqüentemente (millisegundos) (deve ser rápido).

• Scheduler a longo prazo é chamado com pouco freqüência (segundos, minutos) (pode ser devagar).

• O scheduler a longo prazo controla o grão de processamento multitarefa.

• Processos podem ser descritos como:

– I/O-bound process – passa mais tempo fazendo entrada/saída do que cálculos, muitas rajadas curtas de uso da CPU.

– CPU-bound process – passa mais tempo fazendo cálculos; poucas e muito longas rajadas de uso da CPU.


Troca de Contexto

• Quando uma CPU chaveia para outro processo, o sistema tem que preservar o estado do processo antigo e carregar o estado do novo processo.

• Troca de contexto é overhead; o sistema não faz nenhum trabalho útil durante a troca.

• O tempo de troca depende do suporte de hardware disponível.


Criação de Processos

• Processos pai criam processos filho, as quais novamente ciram outros processos, formando uma árvore de processos.

• Compartilhamento de recursos

– Pai e filho compartilham todos os recursos;

– Filhos compartilham um subconjunto dos recursos do pai;

– Pai e filho não compartilham nenhum recurso.

• Execução

– Pai e filho executam em paralelo;

– Pai espera até filho termine.


Criação de Processos (Cont.)

• Espaço de endereçamento

– Filho cópia do pai;

– Filho recebe um novo programa carregado para ele.

• Exemplo UNIX

– chamada ao sistema fork cria novo processo

– a chamada execve é usada depois de um fork para substituir o espaço de memória do processo com um programa novo.


Uma árvore típica de processos num sistema UNIX


Terminação de Processos

• O processo executa a última instrução e faz a chamada de sistema exit para o sistema operacional.

– Devolvendo dados para o pai (via wait).

– Os recursos do processo são desalocados pelo sistema operacional.

• Pai pode cancelar a execução de processos filho (abort).

– filho excedeu recursos alocados;

– a tarefa asociada ao filho não é mais necessária;

– pai termina. O sistema operacional não permite que o filho continue

se o pai termina; Terminação em cascata.


Processos cooperativos

• Processos independentes não podem afetar a execução de outro processo.

• Processos cooperativos podem afetar or são afetados por outro processo.

• Vantagem da cooperação de processos

– compartilhar infomações

– aceleração de cáclculo

– modularidade

– simplicidade


O problema produtor-consumidor

• Um paradigma para processos cooperativos: o produtor produz informação que é consumida pelo consumidor.

– buffer sem limite não coloca limite prático no limite do tamanho do buffer

– buffer limitado suponha qhe o tamanho do buffer é limitado.


Buffer limitado –Solução com memória compartilhada

• Dados compartilhados

var n;

type item = … ;

var buffer. array [0..n–1] of item;

in, out: 0..n–1;

• processo produtor

repeat

…

produce an item in nextp

…

while in+1 mod n = out do no-op;

buffer [in] :=nextp;

in :=in+1 mod n;

until false;


Buffer limitado (Cont.)

• Consumer process

repeat

while in = out do no-op;

nextc := buffer [out];

out := out+1 mod n;

…

consume the item in nextc

…

until false;

• Solution is correct, but can only fill up n–1 buffer.


Threads

• Um thread (ou processo leve) é uma unidade básica de utilização da CPU; ele consiste de:

– contador de programa– conjunto de registros– espaço de pilha

• Um thread compartilha os seguintes elementos com seus threads pares:

– segmento de código,– segmento de dados,– recursos do sistema operacional.

O conjunto forma uma task.

• Um processo pesado tradicional é igual a uma task com um único thread.


Threads (Cont.)

• Dentro de uma tarefa threadeada, enquanto um thread está bloqueado, um outro thread da mesma tarefa pode estar rodando.

– Cooperação de múltiplos threads dentro da mesma tarefa resulta em vazão maior e desempenho melhor.

– Aplicações que precisam compartilhar um buffer comum beneficiam do uso de threads (exemplo produtor-consumidor).

• Threads fornecem um mecanismo que permite que processos seqüenciais efetuem chamadas bloqueiantes ao sistema conseguindo mesmo assim paralelismo na execução.

• Threads como recurso do Kernel (Mach and OS/2).

• Threads a nível de usuário: recurso em cima do kernel através de um conjunto de chamadas de biblioteca (Project Andrew from CMU).

• Abordagem híbrida com threads do kernel ou do usuário (Solaris2).


Multiple Threads within a Task


Threads Support in Solaris 2

• Solaris 2 is a version of UNIX with support for threads at the kernel and user levels, symmetric multiprocessing, and real-time scheduling.

• LWP – intermediate level between user-level threads and kernel-level threads.

• Resource needs of thread types:– Kernel thread: small data structure and a stack; thread

switching does not require changing memory access information – relatively fast.

– LWP: PCB with register data, accounting and memory information,; switching between LWPs is relatively slow.

– User-level thread: only need stack and program counter; no kernel involvement means fast switching. Kernel only sees the LWPs that support user-level threads.


Solaris 2 Threads


Comunicação entre processos (IPC)

• Um mecanismo para permitir processos de se comunicarem e de sincronizarem seus ações.

• Sistema de mensagens - permite comunicação sem uso de variáveis compartilhadas.

• Um mecanismo de IPC apresenta duas funções:– send(message) – mensagem de tamanho fixo ou variável – receive(message)

• Se P e Q querem comunicar, eles precisam de:– estabelecer uma ligação de communicação entre eles– trocar mensagens usando send/receive

• Implementação de uma ligação de comunicação– físico (memória compartilhada, barramento)– lógico (atributos)


Questões de Implementação

• Como cria-se uma ligação?

• Uma ligação pode estar asociada a mais do que dois processos?

• Quantas ligações podem existir entre cada para de processos que estão se comunicando?

• Qual é a capacidade de uma ligação?

• O tamanho de uma mensagem que passa pelo link é fixo ou variável?

• A ligação é unidirecional ou bidirecional?


Comunicação Direta

• Processos precisam chamar um ao outro explicitamente:

– send (P, mensagem) – envie uma mensagem para processo P

– receive(Q, message) – recebe uma mensagem de processo Q

• Propriedades de uma ligação de comunicação

– Ligação criada automaticamente;

– uma ligação é associada com exatamente um par de processos;

– Existe exatamente uma ligação por par de processos;

– A ligação pode ser unidirecional, mas normalmente é bidirecional.


Comunicação Indireta• Mensagens são direcionados a e recebidos de caixas de correio

(também chamado portas).– Cada caixa de correio tem uma id única;– Processos podem comunicar somente se eles compartilham uma

caixa de correio.

• Propriedades de uma ligação de comunicação– ligação existe somente se os processos compartilham uma caixa

de correiro;– uma ligação pode ser associada a muitos processos; – Cada para de processos pode ter vários ligações.– Ligação pode ser unidirecional ou bidirecional.

• Operações– criar uma nova caixa de correio– evniar e receber mensagens– destruir a caixa de correio


Comunicação Indireta (Continuação)

• Compartilhamento de caixas de correio

– P1, P2, e P3 compartilham a caixa de correio A.

– P1, envia; P2 e P3 recebem.

– Quem recebe a mensagem?

• Solução

– Permitir que uma ligação seja associada com no máximo dois processos;

– Permitir que somente um processo a cada vez executa uma operação de recepção;

– Permitir ao sistema de selecionar um receptor arbitrariamente. O remetente é avisado quem era o receptor.


Enfileiramento (Buffering)

• Uma fila de mensagens pertencendo à ligação.

1. Capacidade nula – 0 mensagens;Remetente precisa esperar o receptor (rendezvous).

2. Capacidade limitada – tamanho finito de n mensagens Remetente precisa esperar se fila está cheia;

3. Capacidade ilimitada – tamanho infinito Remetente nunca espera.


Condições de excepção – Tratamento de Erros

• Processo termina

• Mensagem perdida

• Mensagem bagunçada

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