• Author / Uploaded
• David Trejo

Citation preview

Sistemas Operativos - Unidad II

Sistemas Operativos Unidad II - Administración de Procesos y del procesador. Competencia específica a desarrollar: Aplicar las técnicas de administración de procesos.

2.1 - Concepto de proceso. Proceso: Conjunto de actividades o eventos (coordinados u organizados) que se realizan o suceden (alternativa o simultáneamente) bajo ciertas circunstancias con un fin determinado. En informática, un proceso es un conjunto de procedimientos o funciones que tienen uno o más objetivos. Los programas y aplicaciones informáticos pueden ejecutar más de un proceso simultáneamente, ayudados o no por un procesador con múltiples núcleos. Esta forma de trabajar se conoce como multi-threading (múltiples hilos).Un ejemplo de esto puede ser en un juego que tiene un proceso para la música de fondo, otro para el dibujado de sus personajes y escenarios y un tercero para la inteligencia artificial. En sistemas operativos, un proceso es un concepto que consiste en el conjunto formado por: • • • •

Las instrucciones de un programa destinadas a ser ejecutadas por el procesador. Su estado de ejecución en un momento dado, esto es, los valores de los registros de la CPU para dicho programa. Su memoria de trabajo, es decir, la memoria que ha reservado y sus contenidos. Otra información que permite al sistema operativo su planificación.

Esta definición varía ligeramente en el caso de sistemas operativos multi-hilos (multi-threading), donde un proceso consta de uno o más hilos, la memoria de trabajo (compartida por todos los hilos) y la información de planificación. Cada hilo consta de instrucciones y estado de ejecución. Los procesos son creados y destruidos por el sistema operativo, así como también este se debe hacer cargo de la comunicación entre procesos, pero lo hace a petición de otros procesos. En los sistemas operativos multi-hilos (multi-threading) es posible crear tanto hilos como procesos. La diferencia estriba en que un proceso solamente puede crear hilos para sí mismo y en que dichos hilos comparten toda la memoria reservada para el proceso y los nuevos procesos son independientes y no comparten memoria (es decir, información) con el proceso que los ha creado. Tipos de procesos Existen dos tipos de procesos, aquellos que se ejecutan en modo kernel y aquellos que se ejecutan en modo usuario. Los primeros son más lentos por las llamadas al sistema que realizan, sin embargo, son más seguros por la integridad que representan. Para los procesos de usuario, se puede decir que el sistema operativo podría no ser multiproceso, ya que se vale de librerías para hacer un multiplexado y dar la apariencia de trabajar como multiproceso. Otra clasificación podría ser: Procesos en primer plano (Foreground)y Procesos en segundo plano (Background). Los primeros interactúan con el usuario, es decir, el usuario proporciona los datos que el proceso utilizará. Los segundos, son creados para tareas bien definidas y no necesitan la intervención del usuario. Por ejemplo, se puede tener un proceso en segundo plano para revisar la temperatura el disco duro constantemente, éstos también son conocidos como demonios (Daemon)

2.2 - Estados y transiciones de los procesos. Los estados de un proceso obedecen a su participación y disponibilidad dentro del sistema operativo y surgen de la necesidad de controlar la ejecución de cada proceso. Los procesadores sólo pueden ejecutar un sólo proceso a la vez, turnándolos para el uso de éste. Existen procesos apropiativos que básicamente ocupan todo el tiempo del procesador hasta que ellos deciden dejarlo. Los procesos no apropiativos son aquellos que ocupan por un periodo de tiempo el procesador hasta que una interrupción o señal llega al procesador para hacer el cambio de proceso, a esto se le conoce como cambio de contexto. Los posibles estados que puede tener un proceso son: 1. En ejecución.- Es un proceso que está haciendo uso del procesador. 2. Bloqueado.- No puede ejecutarse hasta que un evento externo sea llevado a cabo. 3. Listo.- Ha dejado disponible al procesador para que otro proceso pueda ocuparlo. Las posibles transiciones de proceso son cuatro: La primera transición (1) se realiza cuando el sistema operativo determina que el proceso no puede continuar, por lo que se puede hacer una llamada al sistema "pause" para pasar al estado bloqueado.

Las transiciones (2) y (3) son llevadas a cabo por el planificador de procesos, ya que el proceso no tiene conocimiento de éste. La transición (2) se da cuando el planificador de procesos decide que el proceso ya estuvo el tiempo suficiente en ejecución y debe dar paso a la ejecución de otros procesos (adquieran tiempo del procesador). La transición 3 se realiza cuando todos los procesos han ocupado tiempo del procesador y debe retomarse el primer proceso. La transición (4) ocurre cuando se produce un evento externo por el que un proceso estaba en espera, por ejemplo, introducir datos desde la terminal. Si no hay otro proceso en ejecución en ese instante, la transición 3 se activa y el proceso comienza a ejecutarse; también podría pasar al estado de "listo" y esperar un momento para iniciar la ejecución.

1. El proceso se bloquea en espera de datos 2. El planificador elige otro proceso 3. El planificador elige a este proceso 4. Datos disponibles

Figura 2.1 – Transiciones de un proceso

Modelo de cinco estados Para este modelo, se agregan dos nuevos estados, un estado Nuevo y otro Terminado, por lo que los cinco estados de este modelo son los siguientes: 1. Ejecución: el proceso está actualmente en ejecución. 2. Listo: el proceso está listo para ser ejecutado, sólo está esperando que el planificador así lo disponga. 3. Bloqueado: el proceso no puede ejecutar hasta que no se produzca cierto suceso, como una operación de Entrada/Salida. 4. Nuevo: El proceso recién fue creado y todavía no fue admitido por el sistema operativo. En general los procesos que se encuentran en este estado todavía no fueron cargados en la memoria principal. 5. Terminado: El proceso fue expulsado del grupo de procesos ejecutables, ya sea porque terminó o por algún fallo, como un error de protección, aritmético, etc. Los nuevos estados Nuevo y Terminado son útiles para la gestión de procesos. Los estados Bloqueado y Listo tienen una cola de espera. Cuando un nuevo proceso es admitido por el sistema operativo, se sitúa en la cola de listos. Los procesos suspendidos son mantenidos en una cola de bloqueados. Cuando se da un suceso se pasan a la cola de listos los procesos que esperaban por ese suceso.

Figura 2.2 – Transiciones en el modelo de cinco estados

2.3 - Procesos ligeros (Hilos o hebras). El concepto de proceso engloba dos conceptos separados y potencialmente independientes: uno relativo a la propiedad de recursos y otro que hace referencia a la ejecución. Unidad que posee recursos: A un proceso se le asigna un espacio de memoria y, de tanto en tanto, se le puede asignar otros recursos como dispositivos de E/S o ficheros. Unidad a la que se le asigna el procesador: Un proceso es un flujo de ejecución (una traza) a través de uno o más programas. Esta ejecución se entremezcla con la de otros procesos. De tal forma, que un proceso tiene un estado (en ejecución, listo, etc) y una prioridad de expedición u origen. La unidad planificada y expedida por el sistema operativo es el proceso. En la mayoría de los sistemas operativos, estas dos características son, de hecho, la esencia de un proceso. Sin embargo, son independientes, y pueden ser tratadas como tales por el sistema operativo. Esta distinción ha conducido en los sistemas operativos actuales a desarrollar la construcción conocida como thread, cuyas traducciones más frecuentes son hilo, hebra y proceso ligero. Si se tiene esta división de características, la unidad de asignación de la CPU se conoce como hilo, mientras que a la unidad que posee recursos se le llama proceso. Dentro de un proceso puede haber uno o más hilos de control cada uno con: •

Un estado de ejecución (en ejecución, listo, bloqueado).

•

Un contexto de procesador, que se salva cuando no esté ejecutándose.

•

Una pila de ejecución.

•

Algún almacenamiento estático para variables locales.

•

Acceso a la memoria y a los recursos de ese trabajo que comparte con los otros hilos.

Los beneficios clave de los hilos se derivan de las implicaciones del rendimiento: se tarda menos tiempo en crear un nuevo hilo de un proceso que ya existe, en terminarlo, y en hacer un cambio de contexto entre hilos de un mismo proceso. Al someter a un mismo proceso a varios flujos de ejecución se mantiene una única copia en memoria del código, y no varias. Un ejemplo de aplicación que podría hacer uso de los hilos es un servidor de archivos de una red de área local. Cada vez que llega una solicitud de una operación sobre un archivo, se puede generar un nuevo hilo para su gestión. El servidor gestiona multitud de solicitudes, por tanto, se pueden crear y destruir muchos hilos en poco tiempo para dar servicio a estas peticiones. Si el servidor es un multiprocesador, se pueden ejecutar varios hilos de un mismo proceso simultáneamente y en diferentes procesadores. Un proceso ligero (thread o hebra) es un programa en ejecución que comparte la imagen de la memoria y otras informaciones con otros procesos ligeros.

Figura 2.3 – Procesos ligeros

2.4 - Concurrencia y secuenciabilidad. La concurrencia comprende un gran número de cuestiones de diseño, incluyendo la comunicación entre procesos, compartición y competencia por los recursos, sincronización de la ejecución de varios procesos y asignación del tiempo de procesador a los procesos y es fundamental para que existan diseños como Multiprogramación, Multiproceso y Proceso distribuido Los procesos son concurrentes si existen simultáneamente. Cuando dos o más procesos llegan al mismo tiempo a ejecutarse, se dice que se ha presentado una concurrencia de procesos. Es importante mencionar que para que dos o más procesos sean concurrentes, es necesario que tengan alguna relación entre ellos La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes: •

Varias aplicaciones.- La multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varios trabajos o aplicaciones activas.

•

Aplicaciones estructuradas.- Como ampliación de los principios del diseño modular y la programación estructurada, algunas aplicaciones pueden implementarse eficazmente como un conjunto de procesos concurrentes.

•

Estructura del sistema operativo.- Las mismas ventajas de estructuración son aplicables a los programadores de sistemas y se ha comprobado que algunos sistemas operativos están implementados como un conjunto de procesos.

Existen tres modelos de computadora en los que se pueden ejecutar procesos concurrentes: •

Multiprogramación con un único procesador.- El sistema operativo se encarga de ir repartiendo el tiempo del procesador entre los distintos procesos, intercalando la ejecución de los mismos para dar así una apariencia de ejecución simultánea.

•

Multiprocesador.- Es una maquina formada por un conjunto de procesadores que comparten memoria principal. En este tipo de arquitecturas, los procesos concurrentes no sólo pueden intercalar su ejecución sino también superponerla.

•

Multicomputadora.- Es una maquina de memoria distribuida, que está formada por una serie de computadoras. En este tipo de arquitecturas también es posible la ejecución simultánea de los procesos sobre los diferentes procesadores.

En general, la concurrencia será aparente siempre que el número de procesos sea mayor que el de procesadores disponibles, es decir, cuando haya más de un proceso por procesador. La concurrencia será real cuando haya un proceso por procesador. Aunque puede parecer que la intercalación y la superposición de la ejecución de procesos presentan formas de ejecución distintas, ambas pueden contemplase como ejemplos de procesos concurrentes Existen diversas razones que motivan la ejecución de procesos concurrentes en un sistema: •

Facilita la programación de aplicaciones al permitir que éstas se estructuren como un conjunto de procesos que cooperan entre sí para alcanzar un objetivo común.

•

Acelera los cálculos. Si se quiere que una tarea se ejecute con mayor rapidez, lo que se puede hacer es dividirla en procesos, cada uno de los cuales se ejecuta en paralelo con los demás.

•

Posibilita el uso interactivo a múltiples usuarios que trabajan de forma simultánea.

•

Permite un mejor aprovechamiento de los recursos, en especial del CPU, ya que pueden aprovechar las fases de entrada-salida de unos procesos para realizar las fases de procesamiento de otros.

Así como existen las razones que motivan la ejecución de procesos concurrentes, también existen sus contras: •

Inanición e interrupción de procesos

•

Ocurrencia de bloqueos

•

Que dos o más procesos requieran el mismo recurso (No apropiativo)

Tipos de procesos concurrentes. Los procesos que ejecutan de forma concurrente en un sistema se pueden clasificar como: Proceso independiente: Es aquel que ejecuta sin requerir la ayuda o cooperación de otros procesos. Un claro ejemplo de procesos independientes son los diferentes shells que se ejecutan de forma simultánea en un sistema. Proceso cooperante: Son aquellos que están diseñados para trabajar conjuntamente en alguna actividad, para lo que deben ser capaces de comunicarse e interactuar entre ellos. En ambos tipos de procesos (independientes y cooperantes), puede producirse una serie de interacciones entre ellos y pueden ser de dos tipos: •

Interacciones motivadas porque los procesos comparten o compiten por el acceso a recursos físicos o lógicos. Por ejemplo, dos procesos independientes compiten por el acceso a disco o para modificar una base de datos.

•

Interacciones motivadas porque los procesos se comunican y sincronizan entre sí para alcanzar un objetivo común, Por ejemplo, un compilador que tiene varios procesos que trabajan conjuntamente para obtener un solo archivo de salida.

2.5 - Niveles, objetivos y criterios de planificación. La planificación es el proceso por el cual el sistema operativo selecciona que proceso ejecutar. La selección del proceso se basa en alguno de los algoritmos de planificación. La planificación de la CPU, en el sentido de conmutarla entre los distintos procesos, es una de las funciones del sistema operativo. Este despacho es llevado a cabo por un pequeño programa llamado planificador a corto plazo o dispatcher (despachador). La misión del dispatcher consiste en asignar la CPU a uno de los procesos ejecutables del sistema, para ello sigue un determinado algoritmo. Los acontecimientos que pueden provocar la llamada al dispatcher dependen del sistema (son un subconjunto de las interrupciones), pero son alguno de estos: 1. El proceso en ejecución acaba su ejecución o no puede seguir ejecutándose (por una E/S, operación WAIT, etc). 2. Un elemento del sistema operativo ordena el bloqueo del proceso en ejecución 3. El proceso en ejecución agota su cuantum o cuanto de estancia en la CPU. 4. Un proceso pasa a estado listo. Hay que destacar el hecho de que cuanto menos se llame al dispatcher menos tiempo ocupa la CPU un programa del sistema operativo, y, por tanto, se dedica más tiempo a los procesos del usuario (un cambio de proceso lleva bastante tiempo). Se puede definir el scheduling (planificación) como el conjunto de políticas y mecanismos construidos dentro del sistema operativo que gobiernan la forma de conseguir que los procesos a ejecutar lleguen a ejecutarse. Existen tres niveles de scheduling, estos niveles son: 1. Planificador de la CPU o a corto plazo. 2. Planificador a medio plazo. 3. Planificador a largo plazo. En la planificación de procesos se suelen incluir varios niveles, en función del periodo temporal que cubren: Planificación a largo plazo Este planificador está presente en algunos sistemas que admiten además de procesos interactivos trabajos por lotes. Usualmente, se les asigna una prioridad baja a los trabajos por lotes, utilizándose estos para mantener ocupados a los recursos del sistema durante períodos de baja actividad de los procesos interactivos. Normalmente, los trabajos por lotes realizan tareas rutinarias como el cálculo de nóminas; en este tipo de tareas el programador puede estimar su gasto en recursos, indicándoselo al sistema. Esto facilita el funcionamiento del planificador a largo plazo.

El objetivo primordial del planificador a largo plazo es el de dar al planificador de la CPU una mezcla equilibrada de trabajos, tales como los limitados por la CPU (utilizan mucho la CPU) o la E/S. Así, por ejemplo, cuando la utilización de la CPU es baja, el planificador puede admitir más trabajos para aumentar el número de procesos listos y, con ello, la probabilidad de tener algún trabajo útil en espera de que se le asigne la CPU. A la inversa, cuando la utilización de la CPU llega a ser alta, y el tiempo de respuesta comienza a reflejarlo, el planificador a largo plazo puede optar por reducir la frecuencia de admisión de trabajos. Planificación a Medio Plazo En los sistemas de multiprogramación y tiempo compartido varios procesos residen en la memoria principal. El tamaño limitado de ésta hace que el número de procesos que residen en ella sea finito. Puede ocurrir que todos los procesos en memoria estén bloqueados, desperdiciándose así la CPU. En algunos sistemas se intercambian procesos enteros (swap) entre memoria principal y memoria secundaria (normalmente discos), con esto se aumenta el número de procesos, y, por tanto, la probabilidad de una mayor utilización de la CPU. El planificador a medio plazo es el encargado de regir las transiciones de procesos entre memoria principal y secundaria, actúa intentando maximizar la utilización de los recursos. Por ejemplo, transfiriendo siempre a memoria secundaria procesos bloqueados, o transfiriendo a memoria principal procesos bloqueados únicamente por no tener memoria. Planificación a corto plazo. Esta indica qué proceso será el que se ejecutará en el procesador en el instante siguiente.

Figura 2.4 - Niveles de planificación

Expulsión denota si un proceso acapara el procesador cuando está ejecutándose. Existen sistemas con y sin expulsión: a) Sin expulsión: un proceso conserva el uso del procesador mientras lo desee; es decir, mientras no solicite del SO un servicio que lo bloquee. Ventajas: minimiza tiempo de planificación. Inconvenientes: un proceso podría monopolizar el uso del procesador. b) Con expulsión: el SO puede desalojar a un proceso del uso del procesador (sin que el proceso lo haya solicitado). Ventaja: control sobre el tiempo de ejecución de cada proceso. Inconveniente: gasto de tiempo.

Objetivos y Criterios de Planificación Los objetivos del planificador se resumen en: 1. Reparto equitativo del tiempo de procesador 2. Eficiencia en el uso del procesador 3. Menor tiempo de respuesta en uso interactivo 4. Cumplir plazos de ejecución de los sistemas de tiempo real El principal objetivo de la planificación a corto plazo es repartir el tiempo del procesador de forma que se optimicen algunos puntos del comportamiento del sistema. Generalmente se fija un conjunto de criterios con los que evaluar las diversas estrategias de planificación. El criterio más empleado establece dos clasificaciones. En primer lugar, se puede hacer una distinción entre los criterios orientados a los usuarios y los orientados al sistema. Los criterios orientados al usuario se refieren al comportamiento del sistema tal y como lo perciben los usuarios o los procesos. Uno de los parámetros es el tiempo de respuesta. El tiempo de respuesta es el periodo de tiempo transcurrido desde que se emite una solicitud hasta que la respuesta aparece en la salida. Sería conveniente disponer de una política de planificación que ofrezca un buen servicio a diversos usuarios.

Los criterios orientados al sistema se centran en el uso efectivo y eficiente del procesador. Un ejemplo puede ser la productividad, es decir, el ritmo con el que los procesos terminan. La productividad es una medida muy válida del rendimiento de un sistema y que sería deseable maximizar. Otra forma de clasificación es considerar los criterios relativos al rendimiento del sistema y los que no lo son. Los criterios relativos al rendimiento son cuantitativos y, en general, pueden evaluarse o ser analizados fácilmente. Algunos ejemplos son el tiempo de respuesta y la productividad. Los criterios no relativos al rendimiento son, en cambio cualitativos y no pueden ser evaluados fácilmente. Un ejemplo de estos criterios es la previsibilidad. Sería conveniente que el servicio ofrecido a los usuarios tengan las mismas características en todo momento, independientemente de la existencia de otros trabajos ejecutados por el sistema.

2.6 - Técnicas de administración del planificador. Se denomina planificador (scheduling) al software del sistema operativo encargado de asignar los recursos de un sistema entre los procesos que los solicitan. Siempre que haya que tomar una decisión, el planificador debe decidir cuál de los procesos que compiten por la posesión de un determinado recursos lo recibirá. Los algoritmos (técnicas) tienen distintas propiedades según los criterios en los que se basen para su construcción, lo cual se refleja en qué tipo de procesos se puede ver favorecido frente a otro en la disputa del procesador. Antes de realizar la elección de un algoritmo se debe considerar las propiedades de estos frente al criterio de diseño elegido. Algunas de estos son: a) Eficacia: Se expresa como un porcentaje del tiempo medio de utilización. Aunque puede parecer lógico intentar mantener este parámetro próximo al 100%, con un valor tan elevado otros aspectos importantes de medida del comportamiento del sistema pueden verse deteriorados, como por ejemplo el tiempo medio de espera. b) Rendimiento: Es una medida del numero de procesos completados por unidad de tiempo. Por ejemplo 10 procesos por segundo. c) Tiempo de retorno o regreso: Es el intervalo de tiempo que transcurre desde que un proceso se crea o presenta hasta que es completado por el sistema. d) Tiempo de espera: Es el tiempo que el proceso espera hasta que se le concede el procesador. Puede resultar una medida más adecuada de la eficiencia del sistema, ya que se elimina de la media el tiempo que tarda en ejecutarse el mismo. e) Tiempo de respuesta a un evento: Se denomina así el intervalo de tiempo que transcurre desde que se señala un evento hasta que se ejecuta la primera instrucción de la rutina de servicio de dicho evento. Los algoritmos de planificación son los que definen que política se va a seguir para que un proceso pase al estado de ejecución. Planificación Round-Robin En este tipo de planificación cada proceso tiene asignado un quantum de tiempo para ejecutarse y en el caso de que no pueda terminar la ejecución en su quantum el proceso pasa de nuevo a la cola de procesos para ser ejecutado por otro quantum luego de recorrer la cola para asegurarse que todos los procesos reciban ese quantum de procesamiento.

Planificación por prioridad En la planificación round-robin todos los procesos son tratados con la misma prioridad. Para el caso de este tipo de planificación a cada proceso se le asigna una prioridad y los mismos son ejecutados.

Colas múltiples Las colas múltiples están basadas en una pila que sirve como índice de una lista de procesos que se tienen que ejecutar. Primero el trabajo más corto. Este tipo de algoritmo de planificación se usa para trabajos en batch o de procesamiento por lotes en los

cuales se puede saber cuál es el tiempo de duración de la ejecución de cada proceso y entonces se puede seleccionar primero el trabajo más corto. El problema que se presenta con éste algoritmo es que los grandes procesos podrían sufrir de inanición dado que cualquier proceso pequeño se "cuela" sobre uno de mayor tamaño y como resultado final se podría dar el caso que el proceso grande nunca obtenga procesamiento.

Planificación garantizada En este modelo de planificación se tiene en cuenta la cantidad de usuarios en el sistema y se le asigna a cada uno el tiempo de ejecución de 1/n (siendo n la cantidad total de usuarios) de esa forma el planificador tiene que llevar cuenta del tiempo de ejecución de los procesos y balancear el tiempo que están utilizando el procesador para cumplir con la ecuación previa.

​Algoritmos de Planificación

1. Planificación a la Tasa de Respuesta más Alta (HRRN, highest-response-ratio-next) 2. Planificación con clases de prioridades 3. Planificación de Colas de Retroalimentación de Múltiples Niveles ((MLQ, multiple level queue) 4. Planificación de Múltiples colas (MQS - Multilevel Queue Schedulling) 5. Planificación de Plazo Fijo 6. Planificación garantizada 7. Planificación por el Comportamiento 8. Planificación por orden de llegada (FCFS - First Come, First Served) 9. Planificación por Prioridad al más Corto (SJF, Shortest Job First). 10. Planificación por Prioridad al Tiempo Restante más Corto (SRTF, Short Remaining Time First). 11. Planificación por prioridades (estáticas o dinámicas) 12. Planificación por Turno Rotatorio (Round Robin) 13. Planificación Primero-Entrar-Primero-Salir (FIFO, First In First Out) 11