Sistemas Operativos CETI

Un apoyo para los estudiantes sobre los Sistemas Operativos

Elementos de un Sistema Operativo – Administrador de procesos

Esquema de Administracion de Procesos

Esquema de Administracion de Procesos

El siguiente documento describe las características que presentan los sistemas operativos para la administración de procesos en los sistemas mono y multiprocesadores. Se comienza con una introducción sobre la funcionalidad de un proceso para luego entrar en los detalles de implementación típicos de los sistemas operativos. Aún no termine la totalidad del documento pero lo quiero publicar en Internet para obtener feedback por parte de los lectores interesados en el mismo.

Procesos

¿Qué es un proceso?

Un proceso es un programa en ejecución. Un proceso simple tiene un hilo de ejecución, por el momento dejemos esta última definición como un concepto, luego se verá en más detalle el concepto de hilo. Una vez definido que es un proceso nos podríamos preguntar cuál es la diferencia entre un programa y un proceso, y básicamente la diferencia es que un proceso es una actividad de cierto tipo que contiene un programa, entradas salidas y estados.

Los procesos pueden ser cooperantes o independientes, en el primer caso se entiende que los procesos interactúan entre sí y pertenecen a una misma aplicación. En el caso de procesos independientes en general se debe a que no interactúan y un proceso no requiere información de otros o bien porque son procesos que pertenecen a distintos usuarios.

Estados de los procesos

Un proceso puede estar en cualquiera de los siguientes tres estados: Listo, En ejecución y Bloqueado.

Los procesos en el estado listo son los que pueden pasar a estado de ejecución si el planificador los selecciona. Los procesos en el estado ejecución son los que se están ejecutando en el procesador en ese momento dado. Los procesos que se encuentran en estado bloqueado están esperando la respuesta de algún otro proceso para poder continuar con su ejecución. Por ejemplo operación de E/S.

Implantación de los procesos

La implementación del modelo de procesos se logra debido a que el sistema operativo almacena en una tabla denominada tabla de control de procesos información relativa a cada proceso que se esta ejecutando en el procesador. Cada línea de esta tabla representa a un proceso.

La información que se almacena es la siguiente:

1) Identificación del proceso.

2) Identificación del proceso padre.

3) Información sobre el usuario y grupo.

4) Estado del procesador.

5) Información de control de proceso

5.1) Información del planificador.

5.2) Segmentos de memoria asignados.

5.3) Recursos asignados.

Comunicación entre procesos

Condiciones de competencia

Las condiciones de competencia se dan cuando dos o más procesos intentan acceder a un mismo recurso.

Secciones críticas

Para solucionar las condiciones de competencia se implementó un modelo para prohibir que dos procesos accedan al mismo recurso. El modelo en cuestión se denomina exclusión mutua.

Exclusión mutua con espera ocupada

Las soluciones con espera ocupada funcionan de la siguiente manera, cuando un proceso intenta ingresar a su región crítica, verifica si esta permitida la entrada. Si no, el proceso se queda esperando hasta obtener el permiso.

Desactivación de interrupciones

El método más simple para evitar las condiciones de competencia es hacer que cada proceso desactive todas sus interrupciones antes de entrar a su sección crítica y las active una vez que salio de la misma. Este modelo como se puede observar, éste modelo tiene una gran problema y es que si se produce una falla mientras que el proceso esta en la región crítica no se puede salir de la misma y el sistema operativo no recuperaría el control.

Variables cerradura

En éste caso se genera una variable la cual puede tener dos valores o bien 0 (no hay ningún proceso en su sección crítica) o bien 1 (indicando que la sección crítica está ocupada) entonces cada proceso antes de ingresar a la sección crítica verifica el estado de la variable de cerradura y en caso de que la misma este en 0, le cambia el valor e ingresa a la misma y en caso de que la misma sea 1 el proceso se queda verificando el estado de la misma hasta que el mismo sea 0.

El problema aquí se presenta si dos procesos verifican al mismo tiempo que la variable cerradura esta en 0 e ingresan a la región crítica.

Alternancia estricta

El algoritmo de alternancia estricta no bloquea el ingreso a la región crítica cuando otro proceso se esta ejecutando. El problema de ésta solución es que cuando un proceso no esta en la sección crítica igualmente tiene bloqueado el acceso a la misma y por lo tanto no permite que otro proceso que requiera ingresar a la misma logre hacerlo.

Instrucción TSL

Esta solución requiere ayuda del hardware y es debido a que en general las computadoras diseñadas para tener más de un procesador tienen una instrucción TEST AND SET LOCK

Dormir y despertar

El modelo de espera acotada tienen el inconveniente que se desperdicia tiempo de procesador.

El problema del productor y el consumidor

El problema del productor y el consumidor describe el echo de que cuando hay dos o más procesos interactuando a través de un buffer común habiendo procesos que ponen información o datos y otros que los sacan se pueden llegar a dar condiciones en las cuales los procesos que ingresan los datos no puedan hacerlo debido a que el buffer ya se encuentra lleno y para el caso de los que sacan los datos del buffer intenten sacar datos cuando ya no hay nada que sacar. Para evitar estas condiciones se desarrollaron métodos de comunicación/sincronización entre procesos en los cuales se impide que esto suceda haciendo que el proceso productor “duerma” si el buffer está lleno y una vez que exista espacio el proceso “consumidor” despierte al productor para que siga generando o viceversa.

Planificación de procesos

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 que se describen más abajo.

Expulsión

Es la característica por el cual el sistema operativo puede o no expulsar del estado de ejecución a un proceso dado. En este sentido entonces tenemos la planificación apropiativa en la cual el sistema operativo puede cortar en cualquier momento la ejecución de un proceso y la planificación no apropiativa en la cual una vez que el proceso esta en ejecución el sistema operativo no puede sacarlo de ese estado.

Objetivos de la planificación

Los objetivos de la planificación de proceso son:

  • Equidad, todos los procesos deben poder ejecutarse
  • Eficacia, mantener ocupada la CPU un 100% del tiempo
  • Tiempo de respuesta, minimizar el tiempo de respuesta al usuario
  • Tiempo de regreso, minimizar el tiempo que deben esperar los usuarios por lotes para obtener sus resultados
  • Rendimiento, maximizar el número de tareas procesadas por hora.

Algoritmos de planificación

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 or lotes en los cuales se puede saber cual 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.

Procesos ligeros

Los procesos ligeros son programas en ejecución son básicamente procesos pero a diferencia de éstos últimos que solo tienen un hilo de ejecución los primeros tienen el hilo principal más hilos secundarios o hijos, en éste caso todos los procesos hijos comparten la información del hilo principal pero además puede cada hilo tener su información privada.

Dentro de la información propia tenemos:

  • Contador de programa
  • Pila
  • Registros.
  • Estado del proceso ligero.
  • Dentro de la información compartida tenemos:
  • Variables globales.
  • Archivos abiertos
  • Señales
  • Semáforos.
  • Contabilidad.

Señales

Las señales son el mecanismo de comunicación que se establece entre los procesos. Para comparar se puede decir que las señales son a los procesos lo que las interrupciones son al procesador. Cuando un proceso recibe una señal detiene su ejecución, bifurca a la rutina del tratamiento de la señal que esta en el mismo proceso y luego una vez finalizado sigue la ejecución en el punto que había bifurcado anteriormente.

Las señales se pueden originar en un proceso o bien en el sistema operativo. Las señales se pueden enviar entre procesos, solo los que tengan el mismo uid, o bien el sistema operativo puede enviarle una señal a un proceso, por ejemplo excepciones de ejecución.

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21 septiembre 2009 - Posted by | General

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