martes, 4 de enero de 2011

UNIDAD 2


 ADMINISTRACIÓN DE PROCESOS

2.1 Descripción Y Control De Procesos

• En algunos sistemas operativos como en los de tiempo compartido, cada programa que se ejecuta, por ejemplo mediante una orden de EJECUTAR dada por el usuario, se trata como un proceso independiente. Estos procesos generados por el O.S se denominan IMPLÍCITOS. Una vez terminada la ejecución de los mismos, su eliminación también la realiza el propio O.S. Asi mismo, el O.S proporciona en tiempo real los servicios que son necesarios para que el usuario pueda definir procesos de forma explicita. Los programa acceden a estos servicios realizando LLAMADAS AL SISTEMA(SYSTEM CALL). 

 • Estas llamadas pueden aparecer incrustadas en el código de un programa de usuario o del propio sistema, en cuyo caso, se asemejan a llamadas a procedimientos o funciones que dan lugar a transferencias de rutinas del O.S cuando se invocan en tiempo real. Las llamadas al sistema se realizan tambien, pero de forma indirecta, cuando se dan ordenes al O.S a través de un terminal(ó SHELL)la rutina de monitorización del terminal( que es asu vez un proceso) se encarga de transformar la ordenes en llamadas al sistema. 
• De este modo, al comienzo de la ejecución del programa principal de un usuario se inicia la ejecución de un proceso. A su vez el proceso podría crear nuevos procesos. En este caso, el proceso que crea otro nuevo se denomina proceso padre(parent process), y el proceso creado de denomina proceso hijo(child process). Una vez creado un proceso hijo, la ejecución de padre e hijo transcurre de manera concurrente. De esta forma se puede crear una jerarquía arborescente de procesos, en la que un padre puede tener varios hijos y estos pueden tener otros hijos, etc, pero donde cada hijo sólo tiene un padre.



2.2 Definición De Proceso Sistemas Operativos

Un proceso es una instancia de ejecución de un programa, caracterizado por su contador de programa, su palabra de estado(Palabra que recoge en binario el estado del entorno de programa, después de la ejecución de cada instrucción.), sus registros ( pequeña memoria interna del microprocesador, formada generalmente por biestables) del procesador, su segmento de texto, pila (zona reservada de la memoria o registros hardware donde se almacena temporalmente el estado o información de un programa, rutina, etc..) y datos, etc.




2.3 Estados De Procesos Sistemas Operativos



Como se ha puesto de manifiesto, el proceso es un elemento dinámico que puede pasar por diferentes estados a lo lo largo de su existencia. De forma general, un proceso puede encontrarse en un instante determinado en uno de lo siguientes estados: 

• Activo, Preparado, Bloqueado o suspendido, Nonato y Muerto. 
• La tarea activa es la que está ejecutándose en un instante dado.En el caso de sistemas con un único procesador, sólo puede haber una tarea en dicho estado en cada instante. 
• En el estado de preparado, se encuentran todas las tareas que están listas para ejecutarse pero que esperan a que un/el procesador quede libre(hay otros procesos más prioritarios en ejecución). 
• Las tareas que están a la espera de que se cumpla una condición y que por lo tanto, no están preparadas para ejecutase, se dice que están en el estado bloqueado o suspendido; alguno ejemplos de condición son: que se termine una operación de E/S o que se reciba una señal de sincronización. 
• Un proceso esta muerto cuando ha terminado su ejecución o bien el sistema operativo a detectado un error fatal y lo ha transferido a dicho estado. También es posible que haya entrado él como resultado de un fallo del propio sistema operativo(cuestión que desgraciadamente suele ocurrir frecuentemente en algunos OS. 
• El estado de nonato indica que el programa realmente existe pero todavía no es conocido por el OS.



2.4 Control De Procesos Sistemas Operativos

• La mayoría de los procesadores dan soporte para dos modos de ejecución por lo menos. Ciertas instrucciones pueden ejecutarse sólo en modo privilegiado. Entre éstas están la lectura o modificación de registros de control (como la palabra de estado del programa), instrucciones primitivas de E/S e instrucciones relativas a la gestión de memoria. Además, se puede acceder a ciertas regiones de memoria sólo en el modo más privilegiado. 
• El modo menos privilegiado a menudo se conoce como modo de usuario, ya que los pro¬ gramas de usuario ejecutan normalmente en ese modo. Al modo más privilegiado normal¬ mente se le conoce como modo del sistema, modo de controlo modo del núcleo. Este último término se refiere al núcleo del sistema operativo, que es la parte del sistema operativo que lleva a cabo las funciones importantes del sistema. 
• La razón por la que se usan dos modos debe quedar clara. Es necesario proteger al sistema operativo y a las tablas importantes del mismo, tales como los bloques de control de procesos, de las injerencias de los programas de usuario. En el modo del núcleo, el software tiene control completo del procesador y de todas sus instrucciones, registros y memoria. Este nivel de con¬ trol no es necesario y, por seguridad, tampoco conveniente para los programas de usuario. 


• Surgen dos preguntas: ¿Cómo conoce el procesador en qué modo va a ejecutar? ¿Cómo se cambia de modo? Para la primera pregunta, normalmente hay un bit en la PSW que indica el modo de ejecución. El bit es cambiado como respuesta a ciertos sucesos. Por ejemplo, cuando un usuario hace una llamada a un servicio del sistema operativo, el modo se cambia al de núcleo. Esto se suele llevar a cabo ejecutando una instrucción que cambia el modo. Un ejemplo de cómo se hace esto es la instrucción de Cambio de Modo (CHM, Change Mode) del VAX.



2.5 Procesos E Hilos

2.5.1. Definición de proceso. 

·        Espíritu animado de un programa
·        Es una ejecución concreta de un programa, con un camino determinado y un valor de sus variables determinados. 
·        La unidad mínima de expedición y de asignación de recursos es el proceso.





2.5.2. Estados en los que puede estar un proceso. 

• Listo. Tiene todo lo necesario para ejecutarse excepto el procesador. 
• Suspendido. No está en memoria principal. 
• Bloqueado. Está esperando un evento. 
• Bloqueado y suspendido. 
• Listo y suspendido. 

2.5.3. Tareas e hilos. 

Unidad mínima de asignación: tarea. 
Unidad mínima de expedición: hilo. 
Dos hilos de una misma tarea (denominados hilos pares) comparten el segmento de código, el segmento de datos y un espacio de pila, es decir, los recursos asignados a la tarea. 
Podemos captar la funcionalidad de los hilos si comparamos el control de múltiples hilos con el control de múltiples procesos. En el caso de los procesos, cada uno opera independientemente de los otros; cada proceso tiene su propio contador de programa, registro de pila, y espacio de direcciones. Este tipo de organización es muy útil cuando los trabajos que los procesos efectúan no tienen ninguna relación entre si. 
Pero cuando los trabajos a realizar van a necesitar, por ejemplo, la llamada a una misma función o bien, la compartición de una variable en memoria, nos interesará englobarlos en una tarea. Ej: Avion-Torre. 
Cuando un hilo está en ejecución, posee el acceso a todos los recursos que tiene asignados la tarea. 
Un hilo tendrá lo siguiente: 
• Estado. 
• Contexto del procesador. Punto en el que estamos ejecutando, la instrucción concretamente en la que nos hallamos. 
Es útil a la hora de reanudar un hilo que fue interrumpido con anterioridad, puesto que al guardar el contexto, guardamos la ultima instrucción que ejecutamos, y así podemos conocer por donde tenemos que continuar la ejecución del hilo. 
• Pila de ejecución donde se irá metiendo y sacando instrucciones. 
(Lugar donde almacenaremos las instrucciones que van a ser ejecutadas). 
• Espacio de almacenamiento estático donde almacenará las variables. 
• Acceso a los recursos de la tarea, que son compartidos por todos los hilos de la tarea. 
• Ventajas del uso de hilos
• Se tarda menos tiempo en crear un hilo de una tarea existente que en crear un nuevo proceso. 
 Se tarda menos tiempo en terminar un hilo que en terminar un proceso. 
• Se tarda menos tiempo en cambiar entre dos hilos de una misma tarea que en cambiar entre dos procesos (porque los recursos no cambian, por ejemplo) 
• Es mas sencillo la comunicación (paso de mensajes por ejemplo) entre hilos de una misma tarea que entre diferentes procesos. 
• Cuando se cambia de un proceso a otro, tiene que intervenir el núcleo del sistema operativo para que haya protección. 



2.6 Concurrencia Exclusión Mutua Y Sincronización

Concurrencia: exclusión mutua y sincronización 
Los temas fundamentales del diseño de sistemas operativos están relacionados con la gestión de procesos e hilos: 
• Multiprogramación: consiste en la gestión de varios procesos dentro de un sistema mono-procesador. 
• Multiprocesamiento: consiste en la gestión de varios procesos, dentro de un sistema multiprocesador. 
• Procesamiento distribuido: consiste en la gestión de varios procesos, ejecutándose en sistemas de computadores múltiples y distribuidos. La reciente proliferación de las agrupaciones es el principal ejemplo de este tipo de sistemas. 
La concurrencia es fundamental en todas estas áreas y para el diseño sistemas operativos. La concurrencia comprende un gran número de cuestiones de diseño, incluida 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. Se verá que estas cuestiones no solo surgen en entornos de multiprocesadores y proceso distribuido, sino incluso en sistemas multiprogramados con un solo procesador. 

La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes: 
• Múltiples aplicaciones: la multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varias 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 o hilos. 


2.7 Principios Generales De Concurrencia

En un sistema multiprogramado con un único procesador, los procesos se intercalan en el tiempo aparentando una ejecución simultánea. Aunque no se logra un procesamiento paralelo y produce una sobrecarga en los intercambios de procesos, la ejecución intercalada produce beneficios en la eficiencia del procesamiento y en la estructuración de los programas. La intercalación y la superposición pueden contemplarse como ejemplos de procesamiento concurrente en un sistema monoprocesador, los problemas son consecuencia de la velocidad de ejecución de los procesos que no pueden predecirse y depende de las actividades de otros procesos, de la forma en que el sistema operativo trata las interrupciones surgen las siguientes dificultades: 

1. Compartir recursos globales es riesgoso 
2. Para el sistema operativo es difícil gestionar la asignación óptima de recursos.


2.8 Exclusión Mutua

Sólo un proceso, de todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un momento dado. Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin interferir con los otros procesos. Un proceso no debe poder solicitar acceso a una sección crítica para después ser demorado indefinidamente, no puede permitirse el interbloqueo o la inanición. Si ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin demora. No se debe suponer sobre la velocidad relativa de los procesos o el número de procesadores. Un proceso permanece en su sección crítica por un tiempo finito. Una manera de satisfacer los requisitos de exclusión mutua es dejar la responsabilidad a los procesos que deseen ejecutar concurrentemente. Tanto si son programas del sistema como de aplicación, los procesos deben coordinarse unos con otros para cumplir la exclusión mutua, sin ayuda del lenguaje de programación o del sistema operativo. Estos métodos se conocen como soluciones por software. 

EXCLUSIÓN MUTUA: SOLUCIONES POR SOFTWARE 
Pueden implementarse soluciones de software para los procesos concurrentes que se ejecuten en máquinas monoprocesador o multiprocesador con memoria principal compartida. 


2.9 Semaforos Sistemas Operativos

Semáforos es un algoritmo de control de procesos, que tiene solo dos operaciones básicas, las cuales son: 
Wait.- Pregunta a los procesos si su contador es > ó = que cero, en caso de no ser así, los decrementa. El proceso que cambia en este caso a negativo (−1) desde la cola de procesos Listos a ser ejecutados es el que automáticamente toma el control del procesador. 
Signal.- A partir de un tiempo t definido por el despachador se ejecuta, y pregunta a los procesos si su contador es < que cero en caso de que sea afirmativa la respuesta, saca a este proceso de su ejecución y depende de su estado





2.10 Monitores Sistemas Operativos

Un monitor encapsula el código relativo a un recurso compartido en un solo módulo de programa; ventajas: 
• mantenimiento más simple 
• menos errores de programación 
La interfaz del monitor es un conjunto de funciones que representan las diferentes operaciones que pueden hacerse con el recurso 
La implementación del monitor garantiza la exclusión mutua 
• mediante semáforos o algún otro mecanismo 
• o implícitamente en los lenguajes concurrentes


2.11 Paso De Mensajes Sistemas Operativos

Paso de mensajes 
El paso de mensajes es una técnica empleada en programación concurrente para aportar sincronización entre procesos y permitir la exclusión mutua, de manera similar a como se hace con los semáforos, monitores, etc. 
Su principal característica es que no precisa de memoria compartida, por lo que es muy importante en la programación para sistemas distribuidos.
Los elementos principales que intervienen en el paso de mensajes son el proceso que envía, el que recibe y el mensaje.


2.12 Concurrencia E Interbloqueo Deadlock

DEADLOCK 
Los procesos no son ejecutados constantemente desde que se inician hasta que son finalizados. 
Un proceso puede estar identificado con tres estados diferentes: leyendo (ready), ejecutando (running) o bloqueado (blocked). En el estado de lectura, un proceso está parado, concediendo que otro proceso sea ejecutado; en el estado de ejecución, un proceso está utilizando algún recurso; y en el estado de bloqueo, el proceso está parado y no se ejecutará mientras algo lo restaure. 
Una condición común no deseable es descripta como deadlock, que es cuando dos procesos están en un estado de ejecución, y requieren intercambiar recursos entre sí para continuar. Ambos procesos están esperando por la liberación del recurso requerido, que nunca será realizada; como no hay ningún resultado, tomará un camino que llevará a un estado de deadlock. 





Muchos escenarios han sido construidos para ilustrar las condiciones de deadlock, siendo el más popular el Problema de Comida de los Filósofos. Cinco filósofos tienen cinco platos de fideos enfrente suyo y cinco tenedores, uno a cada lado del plato. Los filósofos necesitan ambos tenedores (derecha e izquierda) para comer. Durante la comida realizarán solo dos operaciones mutuamente excluyentes, pensar o comer. El problema es un paralelismo simplista entre procesos (los filósofos) tratando de obtener recursos (tenedores); mientras están en estado de ejecución (comiendo) o de lectura (pensando). Una condición posible de deadlock puede ocurrir, si todos los filósofos quieren coger el tenedor de la derecha y, a la vez, el de la izquierda: la comida terminará en estado de deadlock. 
Se dice que dos procesos se encuentran en estado de deadlock (interbloqueo, bloqueo mutuo o abrazo mortal) cuando están esperando por condiciones que nunca se van a cumplir. Se podría hablar de deadlock como el estado permanente de bloqueo de un conjunto de procesos que están compitiendo por recursos del sistema.

2.13 PRINCIPIOS DEL INTERBLOQUEO

El interbloqueo se puede definir como el bloqueo permanente de un conjunto de procesos que compiten por los recursos del sistema o bien se comunican unos con otros. A diferencia de otros problemas de la gestión concurrente de procesos, no existe una solución eficiente para el caso general. 
Todos los interbloqueos suponen necesidades contradictorias de recursos por parte de dos o más procesos.





2.14 Acciones Realizar En Interbloqueo

En la política del sistema operativo, deben darse tres condiciones para que pueda producirse un interbloqueo: 
1- Condición de exclusión mutua: Cada recurso está asignado a un único proceso o está disponible. 
2- Condición de posesión y espera: Los procesos que tienen, en un momento dado, recursos asignados con anterioridad, pueden solicitar nuevos recursos. 
3- Condición de no apropiación: Los recursos otorgados con anterioridad no pueden ser forzados a dejar un proceso. El proceso que los posee debe liberarlos en forma explicita. 
En la mayoría de los casos, estas condiciones son bastantes necesarias. La exclusión mutua hace falta para asegurar la consistencia de resultados y la integridad de la base de datos. De forma similar, la apropiación no se puede aplicar arbitrariamente y, cuando se encuentran involucrados recursos de datos, debe estar acompañada de un mecanismo de recuperación y reanulación, que devuelva un proceso y sus recursos a un estado previo adecuado, desde el que el proceso puede finalmente repetir sus acciones. 
Puede no existir interbloqueo con solo estas tres condiciones. Para que se produzca interbloqueo, se necesita una cuarta condición: 
4- Condición de espera circular (o circulo vicioso de espera): Debe existir una cadena circular de dos o mas procesos, cada uno de los cuales espera un recurso poseído por el siguiente miembro de la cadena. 
Las tres primeras condiciones son necesarias, pero no suficientes, para que exista interbloqueo. La cuarta condición es, en realidad, una consecuencia potencial de las tres primeras. Es decir, dado que se producen las tres primeras condiciones, puede ocurrir una secuencia de eventos que desemboque en un circulo vicioso de espera irresoluble. El circulo de espera de la condición 4 es irresoluble porque se mantienen las tres primeras condiciones. Las cuatro condiciones en conjunto constituyen una condición necesaria y suficiente para el interbloqueo. 
PREVENCIÓN DEL INTERBLOQUEO 
La estrategia básica de la prevención del interbloqueo consiste, a grandes rasgos, en diseñar su sistema de manera que esté excluida, a priori, la posibilidad de interbloqueo. 
Los métodos para prevenir el interbloqueo son de dos tipos: 
- Los métodos indirectos que consisten en impedir la aparición de alguna de las tres condiciones necesarias para que se de el interbloqeo. 
- Los métodos directos que consisten en evitar la aparición del circulo vicioso de espera. 
PREDICCIÓN DEL INTERBLOQUEO 
Una forma de resolver el problema del interbloqueo, que se diferencia sutilmente de la prevención, es la predicción del interbloqueo. En la prevención de interbloqueo, se obligaba a las solicitudes de recursos a impedir que sucediera , por lo menos, alguna de las cuatro condiciones de interbloqueo. Esto se hace indirectamente, impidiendo la aparición de una de las tres condiciones necesarias (exclusión mutua, retención y espera, no apropiación) o directamente, impidiendo la aparición de un circulo viciosos de espera. Se llega así a un uso ineficiente de los recursos y una ejecución ineficiente de los procesos. Con predicción del interbloqueo, por otro lado, se pueden alcanzar las tres condiciones necesarias, pero se realizan elecciones acertadas para asegurar que nunca se llega al punto de interbloqueo. La predicción, por lo tanto, permite más concurrencia que la prevención. Con predicción del interbloqueo, se decide dinámicamente si la petición actual de asignación de un recurso podría, de concederse, llevar potencialmente a un interbloqueo. La predicción del interbloqueo necesita, por lo tanto, conocer las peticiones futuras de recursos. Enfoques para la predicción del interbloqueo: - - No iniciar un proceso si sus demandas pueden llevar a interbloqueo. - - No conceder una solicitud de incrementar los recursos de un proceso si esta asignación puede llevar a interbloqueo. 
- DETECCIÓN DEL INTERBLOQUEO 
- Las estrategias de prevención de interbloqueo son muy conservadoras; resuelven el problema limitando el acceso a recursos e imponiendo restricciones sobre los procesos. En cambio, las estrategias de detección de interbloqueo, no limitan el acceso a recursos ni restringen las acciones del proceso. Con la detección del interbloqueo, se concederán los recursos que los procesos necesiten siempre que sea posible. Periódicamente, el S. O. ejecuta un algoritmo que permite detectar la condición de circulo vicioso de espera. La detección del interbloqueo es el proceso de determinar si realmente existe un interbloqueo e identificar los procesos y recursos implicados en él. Una posibilidad detectar un interbloqueo es monitorear cada cierto tiempo el estado de los recursos. Cada vez que se solicita o se devuelve un recurso, se actualiza el estado de los recursos y se hace una verificación para observar si existe algún ciclo. Este método está basado en suponer que un interbloqueo no se presente y que los recursos del sistema que han sido asignados, se liberarán en el momento que otro proceso lo requiera

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