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Descripción y control de procesos

Capítulo 3

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Requerimientos de un SO relacionados con procesos

• Ejecutar concurrentemente múltiples procesos para maximizar la utilización del procesador y al mismo tiempo proveer tiempos de respuestas razonables

• Procurar recursos a los procesos

• Apoyar comunicación entre procesos y la creación de procesos por parte de los usuarios

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El proceso

• Un programa en ejecución

• Una instancia de un programa corriendo en un computador

• La entidad que puede ser asignada (planificada) para ejecución en un procesador

• Unidad de actividad caracterizada por la ejecución de una secuencia de instrucciones, un estado actual, y un conjunto asociado de recursos del sistema

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Elementos típicos de un proceso

• Identificador

• Estado

• Prioridad

• PC (program counter)

• Punteros a memoria (texto, dato, etc)

• Contexto (contenido de registros)

• Información de status de I/O

• Información de contabilidad

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Bloque de control de proceso (PCB)

• Estructura de datos que contiene los elementos de procesos

• Creado y manejado por el SO

• Contiene la información necesaria para interrumpir un proceso en ejecución y luego reanudarlo (como si la interrupción no hubiera ocurrido)

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Traza de proceso

• Secuencia de instrucciones que ejecuta un proceso

• Despachador intercambia el procesador de uno a otro proceso

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Ejemplo de traza

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Estado de procesos

• Un proceso que no está corriendo puede:– estar listo para ejecución

– estar bloqueado esperando por I/O

• Un sola cola de espera no sería apropiada.

• El dispatcher no puede simplemente seleccionar de la cola el proceso que más tiempo ha estado en ella; puede ser que esté bloqueado.

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Modelo de proceso de 2 estados

• Un proceso puede estar en uno de dos estados– Corriendo

– No corriendo

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Creación de Procesos

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Término de Procesos

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Término de Procesos

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Modelo de proceso de 5 estados

• El estado no-corriendo se divide en dos: listo y bloqueado• Por conveniencia, se agregan dos estados más.

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Modelo de 5 estados

• Running (ejecutándose): el proceso está corriendo, es decir está en la CPU

• Ready: el proceso está listo para ejecutarse

• Blocked: no puede ejecutarse hasta que un evento dado ocurra. Ej: operación de I/O termine.

• New: está recién creado, pero aún no ha sido admitido en la cola de Ready. Ej. Aún no ha sido cargado en memoria.

• Exit: un proceso que, por algún motivo, ya no sigue ejecutándose en el

sistema.

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Ejemplo transición entre estados

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Usando dos colas

• En este caso todos los eventos envían a los procesos a una misma cola

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Múltiples colas

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Procesos Suspendidos

• El procesador es mucho más veloz que los dispositivos de I/O, y sería posible que todos los procesos en memoria estuvieran esperando por I/O.

• Swap temporalmente algunos de estos procesos a disco y así liberar memoria.

• Procesos que han sido swapeados a disco desde el estado de bloqueados, pasan al estado Suspended

• Note que swapping es una operación de I/O

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Modelo de estado con un estado Suspendido

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Modelo con dos estados Suspendido

• Blocked: proceso en memoria principal y esperando por un evento

•Blocked/Suspend: proceso en memoria seundaria y esperando por un evento

•Ready/Suspend: proceso en memoria secundaria, pero listo para ejecución en cuanto se cargue en memoria principal

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Otras razones para suspender un proceso

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Características de un proceso suspendido

• El proceso no está disponible para ejecución inmediata. • El proceso puede o no estar esperando por un evento. La condición de

bloqueado es independiente de la condición de suspendido.• El proceso fue puesto en estado suspend por un agente: el mismo, el padre o el

SO. • El proceso no puede ser removido de este estado hasta que el agente lo ordene.

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Procesos y Recursos

Motivación: ¿Qué información necesita el SO para manjearlos procesos y recursos?

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Estructuras de control del SO• Almacenan información del estado ectual de los procesos y recursos.

• Típica estructura: tablas para cada entidad que el SO administra.

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Tablas de la memoria

• Para mantener información de qué memoria está usada o libre, ya sea memoria principal o secundaria (virtual) y quién la está usando.

• Incluye la siguiente información:– Asignación de memoria principal a procesos.

– Asignación de memoria secundaria a procesos.

– Atributos de protección de los bloques de memoria (principal o virtual)

– Otra información para administrar la memoria virtual del sistema

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Tablas de I/O

• Para administrar los dispositivos y canales de I/O del sistema

• Información relevante a:– Estado de una operación de I/O y dirección de memoria principal usada como

fuente o destino de la transferencia de I/O

– Disponibilidad de los dispositivos de I/O

– Asignación de los dispositivos de I/O a procesos

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Tablas de archivos

• Mantienen información acerca de:– la existencia de archivos,

– sus ubicaciones en memoria secundaria,

– sus estados actuales

– sus dueños

– atributos

• A veces, esta información es mantenida por un sistema de administración de archivos y el SO no conoce los detalles de dicha administración.

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Tabla de Procesos

• Donde está el proceso en memoria

• Atributos del proceso, como por ejemplo identificador, estado, prioridad, etc

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¿Qué constituye un proceso?• Programa que se ejecuta

• Datos, locales, globales, constantes, etc

• Stack, para llamado a procedimientos y paso de parámetros

• PCB con atributos

• Imagen del Proceso

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Bloque de Control de Proceso (PCB)

• Indentificación del proceso– Identificadores

• del proceso

• del padre del proceso

• del usuario del proceso

• del dueño

• Contexto del proceso– Registros de la CPU visibles por el proceso (usuario)

– Registros de control y status: PC, códigos de condición, status (flags, modo de ejecución). Ejemplo: registro EFLAGS en Pentium II.

– Stack Pointer (SP)

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Pentium II EFLAGS Register

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PCB

• Control del proceso– Información del estado y scheduling

• Estado del proceso (corriendo, listo, etc)

• Prioridad

• Otra información relacionada con scheduling, ejemplo: tiempo que el proceso ha estado esperando, tiempo que el proceso ha usado la CPU

• Identificación del evento que el proceso está esperando antes que pueda reanudar su ejecución.

– Estructuración de los procesos• Puede que los procesos estén organizados en una lista (simple o doblemente

enlazada)

• Un proceso padre puede apuntar a sus hijos

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PCB

• Control del proceso– Comunicacion entre procesos

• Señales, flags, mensajes asociadas a la comunicación entre dos procesos independientes.

– Privilegios• En ciertos SOs los procesos obtienen privilegios en términos de qué memoria puede

accesar y qué tipos de instrucciones puede ejecutar.

– Administración de memoria• Punteros a la tabla de segmentos o páginas

– Utilización y propiedad de recursos• Qué recursos son controlados por el proceso, por ejemplo, archivos abiertos.

El PCB es la estructura de datos más importante en un SO

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Visión de un proceso en memoria virtual

Identificación del Proceso

Información Contexto del Proceso

Información Control del Proceso

Stack

Espacio privado deDirecciones

(programa, datos)

Espacio compartidode direcciones

PCB

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Modos de Ejecución de un proceso• Modo usuario

– Modo menos privilegiado

– Los procesos de los usuarios generalmente se ejecutan en este modo.

– Ciertas instrucciones no pueden ser ejecutadas en este modo.

– Típicamente, un proceso sólo puede acceder direcciones de memoria de su espacio privado de direcciones

• Modo kernel– Modo más privilegiado

– El Kernel del SO se ejecuta en este modo.

– El SO tiene control completo del procesador y puede ejecutar cualquier instrucción.

– Y accesar cualquier porción de memoria

• Uno o más bits en el PSW indica el modo actual de ejecución

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Creación de Procesos

• Asignar un identificador único

• Procurar espacio para el proceso; para todos los elementos de la imagen del proceso

• Inicializar el PCB

• Setear los enlaces pertinentes– Ej: agregar un proceso nuevo a la cola de listos

• Crear e inicializar otras estructuras de datos – Ej: mantener un archivo de contabilidad

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Cambio de contexto (process switch)

• Cuándo hacer un cambio de contexto – Trap: error asociado a la ejecución de la instrucción actual.– Interrupción: evento externo a la ejecución del proceso

• Interrupción del reloj por término de tiempo• I/O• Fallo de memoria. La dirección de memoria no se encuentra actualmente en memoria

principal.

– Llamado al sistema (supervisor call, system call): por ejemplo instrucción de I/O.

• Un cambio de contexto o cambio de proceso no es lo mismo que un cambio del modo de ejecución de un proceso

• Un cambio en el modo de ejecución puede ocurrir sin cambiar el estado del proceso

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Cambio del estado del proceso(también process switch)

• Guardar el contexo del proceso incluyendo el PC y otros registro. • Actualizar el PCB del proceso que actualmente está en ejecución (por ejemplo

actualizar el estado)• Mover el PCB de la cola de listo a la cola apropiada. • Seleccionar otro proceso para ejecución. • Actualizar el PCB del proceso seleccionado• Actualizar las estructuras de administración de memoria• Restaurar el estado del procesador al que tenía cuando se estaba ejecutando el

proceso seleccionado

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Ejecución del Sistema Operativo

• El SO funciona de la misma forma como funcionan los otros procesos en el sistema

• El SO frecuentemente entrega el control de la CPU y pasa a depender de ella para retomar el control

• Kernel no proceso– El SO es ejecutado como una entidad separada y el concepto de proceso es aplicable

sólo a los procesos usuarios

– El SO se ejecuta en modo privilegiado

• Ejecución dentro de un proceso usuario – El SO se ejecuta en el contexto de los procesos usuarios

– El SO se ve como un conjunto de rutinas que los procesos usuarios llaman

– Proceso se ejecuta en modo privilegiado cuando ejecuta código del SO.

– Se requiere un stack del kernel en cada imagen de proceso

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Ejecución del Sistema Operativo

• Basado en proceso– Implementa el SO como una colección de procesos del sistema

– Útil en sistemas multiprocesadores y multicomputadores, pues permiten que los servicios prestados por los procesos puedan ser ejecutados exclusivamante en algunos procesadores y asi mejorar rendimiento.

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Administración de Procesos en UNIX SVR4

• Implementa el modelo de ejecución del SO en el contexto de procesos usuarios (La mayoria de las funciones)

• Dos modos de ejecución: Kernel y usuario

• Dos categorias de procesos:– Procesos de sistema: Operan en modo kernel y ejecutan código del SO para realizar

tareas administrativas, Ej: creación de procesos, procuración de memoria

– Procesos usuarios: Operan en modo usuario para ejecutar el proceso usuario y otras utilidades, y operan en modo kernel para ejecutar instrucciones del kernel

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Modelo de estados en UNIX

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Imagen de Proceso en UNIX