Sistemas Operativos

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Sistemas Operativos

• Unidad II
• Administración del proceso

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Definición de un proceso
El concepto central de cualquier Sistema
Operativo es el de proceso una abstracción de un
programa en ejecución también llamada tarea.

• Un proceso es
• Un programa en ejecución que necesita ciertos
  recursos (como tiempo del CPU, memoria, archivo,
  y dispositivos de e/s) para realizar su tarea.
• El lugar de control de un procedimiento en
  ejecución.
• Lo que se manifiesta en el bloque de control de
  proceso (PCB) dentro de un sistema operativo.
• La entidad a la que se le asignan procesadores.

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El S.O como Administrador de Recursos

• Administrador de recursos
• Asignación
• A los programas en ejecución (procesos)
• En función de la disponibilidad de recursos y
  ciertas
• características de los procesos
• Debe poder recuperarlos cuando ya no se
  necesiten
• Protección
• Debe garantizar la no interferencia entre
  procesos en el uso de recursos.
• Debe impedir que un proceso acceda a recursos de
  otro
• Para todo lo anterior utilizará una serie de
  estructuras de datos que registrarán el estado de
  los recursos

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• El modelo de procesos posee las siguientes
  características  
• Todo el software ejecutable, inclusive el Sistema
  Operativo, se organiza en varios procesos
  secuenciales o procesos.
• Un proceso incluye al programa en ejecución y a
  los valores activos del contador, registros y
  variables del mismo.
• Conceptualmente cada proceso tiene su propia cpu
  virtual.
• Si la cpu alterna entre los procesos, la
  velocidad a la que ejecuta un proceso no será
  uniforme, por lo que es necesario aclarar lo
  siguiente
• Que los procesos no deben programarse con
  hipótesis implícitas acerca del tiempo.
• Que normalmente la mayoría de los procesos no son
  afectados por la multiprogramación subyacente de
  la cpu o las velocidades relativas de procesos
  distintos.
• Un proceso es una actividad de un cierto tipo,
  que tiene un programa, entrada, salida y estado.
• Un solo procesador puede ser compartido entre
  varios procesos con cierto algoritmo de
  planificación, el cual determina cuándo detener
  el trabajo en un proceso y dar servicio a otro
  distinto.

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Característica de los procesos (continuación)

• Un proceso es una actividad de un cierto tipo,
  que tiene un programa, entrada, salida y estado.
• Un solo procesador puede ser compartido entre
  varios procesos con cierto algoritmo de
  planificación, el cual determina cuándo detener
  el trabajo en un proceso y dar servicio a otro
  distinto

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Cada proceso es una entidad independiente pero
frecuentemente debe interactuar con otros
procesos (ver Figura 2.2 23, Tanenbaum).
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• Manifestación física del
• proceso
• Texto (código), datos y pila
• Contexto de ejecución del proceso
• Información que el SO necesita para administrar
  el proceso.
• Información que la CPU necesita para ejecutar
  correctamente el proceso

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Ejecución de procesos

• La ejecución de un proceso consiste en
  desarrollar las instrucciones, almacenadas en
  memoria.
• En su forma más simple, el procesamiento de una
  instrucción consiste en
• No posibilita la intercalación de instrucciones
  de diferentes programas (multiprogramación y/o
  tiempo compartido)
• No hay gestión de interrupciones
• La E/S tiene que ser por programa.

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E/S por programa

• E/S por programa
• El módulo de E/S del SO realiza la operación.
• Dialoga con el dispositivo
• Comprueba constantemente el estado del
  dispositivo hasta que detecta que se ha
  completado la operación

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Los estados 23, Tanenbaum que puede tener un
proceso son (ver Figura 2.3 23, Tanenbaum)

• En ejecución Se esta haciendo uso del
  procesador ejecutando instrucciones.
• Listo En espera de que se le asigne el
  procesador o también se detiene en forma temporal
  para que se ejecute otro proceso.
• Bloqueado no se puede ejecutar debido a la
  ocurrencia de algún evento externo, por ejemplo,
  cuando se ejecuta una operación de e/s.

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Son posibles cuatro transiciones entre estos
estados.
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• Descripción de procesos
• Estructuras de control del sistema operativo
• El bloque de control de procesos

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Descripción de procesosEstructuras de control
del SO

• Si el SO tiene que gestionar procesos y recursos,
• debe mantener información actualizada del estado
  de
• cada proceso y cada recurso
• Tablas de memoria
• Permiten al SO controlar el uso de memoria
  principal
• (incluso también secundaria) por los procesos.
• Tablas de entrada/salida
• Usadas por el SO para gestionar los
  dispositivos de E/S
• Información sobre los archivos que existen, su
  ubicación
• en memoria secundaria, etc.
• Tabla de Archivo
• Información sobre los archivos que existen, su
  ubicación
• en memoria secundaria, etc.
• Tablas de procesos bloque de control de
  procesos

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Descripción de procesosEstructuras de control
del SO
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Descripción de procesosEl bloque de control de
procesos

• Estructura de datos que contiene información
  diversa y necesaria para que el SO gestione y
  controle un proceso
• Denominada también PCB ( Process Control Block)
• Un proceso existe, en tanto en cuanto tiene un
  PCB
• Cada SO le da una implementación diferente
• Todas las operaciones que el SO realiza sobre un
  proceso implican la manipulación de su PCB
• Todos los PCB se organizan en la tabla de
  procesos
• El contenido de un PCB es, realmente, el contexto
  de ejecución del proceso

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Descripción de procesosEl bloque de control de
procesos

• Elementos básicos de un PCB
• Identificación del proceso
• Identificador numérico único de proceso
• Puede ser usado en otras tablas como referencia
• También para la identificación del proceso cuando
  se comunica con otros
• Si la tabla de procesos toma la forma de array,
  puede
• servir para, usándolo como índice, obtener el PCB
  del Identificador de su proceso padre
• Si los procesos están autorizados a crear otros
  procesos
• Identificador del usuario responsable del mismo

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Descripción de procesosEl bloque de control de
procesos

• Elementos básicos de un PCB (continuación)
• Información de estado del procesador
• Contenido de los registros del procesador
• Por supuesto, si el proceso está en ejecución
  (tiene
• asignada la CPU) esta información está en los
  registros
• Cuando el proceso abandona el uso del procesador,
  toda
• la información de los registros se guarda (salva)
  en el
• PCB de forma que pueda restaurarse en el
  procesador
• cuando pase de nuevo a ejecutarse (en el futuro)
• Registros visibles por el usuario (generales)
• Punteros de pila
• Registros de control y estado
• PC, información de estado, códigos de condición,
  etc.

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Descripción de procesosEl bloque de control de
procesos

• Elementos básicos de un PCB (continuación)
• Información de control del proceso
• Toda la información adicional necesaria para que
  el SO
• controle y coordine los procesos activos
• Información de planificación y estado
• Prioridad, estado, información de planificación,
  etc.
• Pertenencia del proceso a estructuras de datos
• Listas, colas, etc., de (PCBs de) procesos
• Comunicación entre procesos
• Privilegios del proceso
• Ubicación en memoria
• De su código, datos y pila
• Uso y propiedad de recursos

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Descripción de procesosEl bloque de control de
procesos
20
Descripción de procesosEl bloque de control de
procesos
21
IntroducciónInterrupciones

• Concepto
• Una interrupción es un evento que altera la
  secuencia en que el procesador ejecuta las
  instrucciones es un hecho generado por el
  hardware de la computadora 7, Deitel.
• Cuando ocurre una interrupción, el Sistema
  Operativo
• Obtiene el control.
• Salva el estado del proceso interrumpido,
  generalmente en su bloque de control de procesos.
  
• Analiza la interrupción.
• Transfiere el control a la rutina apropiada para
  la manipulación de la interrupción.
• Una interrupción puede ser iniciada por un
  proceso en estado de ejecución o por un evento
  que puede o no estar relacionado con un proceso
  en ejecución.

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Tipos de Interrupciones

• SVC (llamada al supervisor)
• es una petición generada por el usuario para un
  servicio particular del sistema, por ejemplo,
  realización de Entrada / Salida u obtención de
  más memoria.
• Entrada / Salida
• son iniciadas por el hardware de Entrada /
  Salida, indicando a la cpu que ha cambiado el
  estado de un canal o dispositivo, por ejemplo,
  finalización de Entrada / Salida u ocurrencia de
  un error.

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Tipos de Interrupciones (continuación)

• Externas
• son causadas por distintos eventos, por ejemplo,
  expiración de un quantum (tiempo) en un reloj de
  interrupción o recepción de una señal de otro
  procesador en un sistema multiprocesador.
• De reinicio
• ocurren al presionar la tecla de reinicio o
  cuando llega una instrucción de reinicio de otro
  procesador en un sistema multiprocesador.
• De verificación de programa
• son causadas por errores producidos durante la
  ejecución de algún procesos, por ejemplo Un
  intento de dividir por cero, un intento de un
  proceso de usuario de ejecutar una instrucción
  privilegiada, un intento de ejecutar un código de
  operación inválido.
• De verificación de máquina
• son ocasionadas por un mal funcionamiento del
  hardware.

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Interrupciones

• El Sistema Operativo incluye rutinas llamadas
  Manipuladores de Interrupciones (IH) para
  procesar cada tipo diferente de interrupción.
• Cuando se produce una interrupción el Sistema
  Operativo efectúa las siguientes acciones
• Salva el estado del proceso interrumpido.
• Dirige el control al manipulador de
  interrupciones adecuado.
• Se aplica la técnica de Cambio de Contexto .
• Los Sistemas Operativos instrumentan información
  de control que puede aparecer como las Palabras
  de Estado de Programa (PSW), las cuales
  controlan el orden de ejecución de las
  instrucciones y contienen información sobre el
  estado del proceso.

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Proceso concurrente

• Aquellos que intercalan y/o superponen sus
  ejecuciones en el tiempo
• Su ejecución provoca interacciones entre ellos y
  con el sistema operativo
• Se presentan en nuevos problemas
• Que son independientes del número de procesos y
  CPUs
• Las soluciones a dichos problemas deben
  garantizar la corrección de la ejecución de los
  procesos concurrentes bajo cualquier secuencia de
  intercalado y/o superposición de instrucciones

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Problemas que introduce la concurrencia

• Problemas de sincronización entre procesos
• Dificultad de asignar los recursos de forma
  óptima
• Posible uso ineficiente de los recursos,
• Ejemplo
• Proceso A consigue un recurso y se bloquea por
  alguna razón
• Si un proceso B lo solicita, tendrá que esperar
• Dificultad para localizar errores de programación
• Las situaciones no son repetibles
• Compartición de recursos globales no compartibles
• Global x
• Procedimiento echo ()
• Entrada(x) // leer del teclado
• salx
• Salida(sal) // mostrar por pantalla
• End.
• Varios procesos concurrentes invocan echo()

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Interacción entre procesos

• Se pueden clasificar los diferentes tipos de
  interacción en función del conocimiento que
  tienen unos procesos de la existencia de otros
• Desconocimiento de la existencia de otros
• Los procesos compiten por los recursos
• Son independientes entre sí (no trabajan juntos)
• Se conocen indirectamente
• Porque comparten algún recurso
• Cooperan gracias a la compartición
• Se conocen directamente
• Se comunican utilizando sus identificadores de
  proceso
• Cooperan enviándose mensajes

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Interacción entre procesos

• Competencia entre procesos
• Procesos independientes que necesitan acceder a
  un Recurso durante su ejecución
• No se deben ver afectadas sus ejecuciones
• Cada proceso debe dejar el recurso tal y como
  estaba
• Problemas a resolver
• Exclusión mutua al acceder a un recurso no
  compartible
• Interbloqueo (derivado del anterior)
• Inanición (derivado del primero)
• El control de la competencia es responsabilidad
  del SO
• Es el que asigna recursos
• Ofrece mecanismos a los procesos para que
  expresen la forma de acceso a los recursos
• Cooperación entre procesos por comunicación
• Los procesos participan en una labor común
• La comunicación es una forma de sincronizar o
  coordinar sus distintas actividades.

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Sección Critica

• La exclusión mutua consiste en asegurar de que
  si un proceso esta utilizando una variable o
  archivo compartido, los otros procesos no puedan
  hacer lo mismo.
• Esto se presenta cuando el proceso B comienza a
  utilizar una variable compartida antes de que el
  proceso A termine con ella.
• Un proceso puede estar accesando a memoria o
  archivo compartido o bien realizando otras
  tareas. Esta parte del programa donde se accesa a
  memoria compartida, se llama sección critica.

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El problema de la exclusión mutua

• Problemas derivados de la exclusión mutua
• Interbloqueo o bloqueo mutuo (deadlock)
• Un conjunto de procesos están en interbloqueo
  cuando ninguno de ellos puede continuar su
  ejecución porque se encuentran esperando un
  evento que tiene que producir algún otro proceso
  que también pertenece al conjunto.
• Inanición
• Un proceso se encuentra en esta situación cuando,
  con otros procesos, espera un evento, pero ante
  la aparición del evento y su gestión, nunca es el
  elegido para continuar su ejecución.
• Un proceso espera indefinidamente un recurso que
  siempre se concede a algún otro que lo solicita.
  Depende de la política de asignación de recursos

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Semaforo

• Dos o más procesos pueden cooperar por medio de
  señales, de forma que se obligue a un proceso a
  detenerse en una posición determinada hasta que
  reciba una señal específica
• Para la señalización se utilizan variables
  especiales denominadas semáforos
• Para enviar una señal por el semáforo s, un
  proceso ejecuta V(s) / signal(s)
• Para recibir una señal del semáforo s, un proceso
  ejecuta P(s) / wait(s)
• Si la señal correspondiente aún no se ha
  transmitido, el proceso se bloquea hasta que
  llegue aquella

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Definición de semaforo

• Los semáforos pueden ser vistos como variables
  que tienen un valor entero y sobre los que se
  definen 3 operaciones
• Iniciar el semáforo, con un valor no negativo
• La operación P disminuye el valor del semáforo
• Si el valor se hace negativo, el proceso que
  ejecuta P se bloquea
• La operación V incrementa el valor del semáforo
• Si el valor no es positivo, se desbloquea un
  proceso bloqueado anteriormente por una operación
  P sobre el mismo semáforo

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Introducción a los monitores

• Los semáforos son una herramienta potente y
  flexible para garantizar la exclusión mutua
• Pero puede ser difícil construir un programa
  correcto usando semáforos
• Los monitores son construcciones de
  sincronización de alto nivel
• Ofrecen una funcionalidad equivalente a la de los
  semáforos
• Son más fáciles de controlar

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Definición de Monitor

• Un monitor es un conjunto de procedimientos,
  variables y estructura de datos que se agrupan en
  un tipo de especial de módulo o paquete. Los
  procesos pueden llamar a procedimientos en un
  monitor siempre que lo deseen, pero no pueden
  accesar directamente las estructuras de datos
  internas del monitor a partir de procedimientos
  declarados.

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Características

• Un monitor es un módulo software que consta de
• Uno o más procedimientos
• Una secuencia de inicio
• Datos locales
• Sus características básicas son
• Las variables de datos locales sólo están
  accesibles para los procedimientos del monitor.
• Un proceso entra en el monitor invocando uno de
  sus procedimientos.
• Sólo un proceso puede estar ejecutando en el
  monitor en un instante dado.

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MonitoresVariables de condición

• La construcción monitor garantiza que sólo un
• proceso puede estar activo dentro de él
• A veces no es bastante
• Se necesitan mecanismos de sincronización
  adicionales
• Variables de condición
• El programador puede declarar variables locales
  de tipo condición
• Se manipulan únicamente con dos operaciones
• wait(vblecondición)
• signal(vblecondición)

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semaforo

• wait(v)
• El proceso que invoca esta operación se bloquea
  hasta que otro proceso invoque signal(v)
• signal(v)
• Desbloquea un proceso bloqueado por wait(v)
• Si se desbloquea un proceso, cuál se ejecuta?

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Principios de interbloqueo

• El interbloqueo puede ser definido como el
  bloqueo permanente de un conjunto de procesos que
  compiten por recursos del sistema o se comunican
  unos con otros
• En cuanto al uso de recursos
• Puede haber varias unidades del mismo tipo de
  recurso
• Cuando un proceso pide un recurso, le vale
  cualquier unidad de ese tipo
• Protocolo de uso de recursos
• Solicitud
• Utilización
• Liberación

39
Principio de interbloqueo
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InterbloqueoModelos de representación

• Desde el punto de vista del interbloqueo, en un
  sistema se pueden distinguir las siguientes
  entidades y relaciones
• Un conjunto de procesos
• Un conjunto de recursos
• Cada uno puede tener varias unidades
• Un conjunto de relaciones entre procesos y
  recursos que indica qué recursos están asignados
  a qué procesos.
• Un conjunto de relaciones entre procesos y
  recursos que indica qué solicitudes de recursos
  están pendientes de ser satisfechas

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Algoritmo de planificación

• La planificación de los procesos se apoya en un
  algoritmo de planificación de procesos, basado en
  una política especifica para asignar el
  procesador y mover los trabajos por el sistema.
  Los algoritmos mas difundido son
• Primero en entrar, primero en servirse (FCFS)
• Sigue el Trabajo más corto (SJN)
• Planificación por prioridad
• Tiempo restante más breve (SRT)
• Round Robin
• Colas de múltiples niveles

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Primero en entrar, primero en servirse (FCFS)

• Es un algoritmo de planificación no apropiativa,
  que maneja los trabajos de acuerdo al tiempo de
  arribo, conformen entran son servidos. Es un
  algoritmo muy simple de implementar, porque
  utiliza un tipo cola FIFO. Este algoritmo esta
  bien para la mayor parte de los sistemas por
  lotes, pero es inaceptables para los sistemas
  interactivos, porque los usuarios interactivos
  deben tener tiempos cortos de respuesta

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Primero en entrar, primero en servirse
(FCFS)continuación

• Con los (FCFS), conforme un nuevo trabajo entra
  en el sistema su PCB, queda vinculado con el
  final de la cola de listo y es eliminado en la
  parte delantera de la cola, cuando el procesador
  queda disponible, esto es, después de que ha
  procesado todos los trabajos que existían en la
  cola.