Unidad II Mtodos para compartir recursos de Software

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Unidad II Métodos para compartir recursos de
Software

• M.C. Juan Carlos Olivares Rojas

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Temario

• 2.1 Justificación
• 2.2 Requisitos
• 2.3 Procedimientos entrantes
• 2.4 Recursos compartidos asignados estáticamente
• 2.5 Recursos compartidos asignados dinámicamente

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2.1 Justificación

• Compartir un recurso de software significa que
  dos o más procesos puedan utilizar una misma
  rutina o dato que está en memoria (habiendo una
  sola instancia de la rutina o dato).
• La rutina es el recurso que se comparte en los
  procesos.

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Justificación

• La compartición de recursos de software hace que
  un sistema operativo sea más flexible y eficiente
  ya que aumenta la capacidad de atención de
  procesos.
• Es necesario la compartición de recursos en un
  sistema operativo multiusuario y multitarea por
  que generalmente sólo se tiene un recurso y
  varios ocupan acceder a él.

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Justificación

• Muchos sistemas como las redes de computadoras,
  los sistemas distribuidos, la Web y el groupware
  basan su funcionamiento en la compartición de
  recursos (procesos, periféricos, etc.).
• También la compartición puede ayudar al balanceo
  de carga entre los procesos.

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2.2 Requisitos

• Para la compartición de recursos de software se
  requiere principalmente que el sistema operativo
  permita la repetición de apuntadores en las
  tablas de segmento o de página (dependiendo del
  método empleado).
• Cualquier tipo de recurso hace referencia a
  memoria.

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Requisitos

• Además, si la compartición será dinámica, se
  requiere que el sistema operativo soporte
  carga/descarga y ligado dinámico, para lo cual se
  requiere implementar tablas auxiliares como
• ART (Tabla de Referencia Activa),
• AST (Tabla de Segmento Activa),
• SMT (Tabla de Mapeo de Segmentos).

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Requisitos

• Los recursos pueden ser
• Dedicados se asignan por el tiempo que el
  proceso los requiera. El proceso debe liberar el
  recurso, generalmente utilizan memoria estática,
  pero también se pueden utilizar memoria dinámica
  o espacio de almacenamiento físico.

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Requisitos

• Los recursos compartidos pueden ser asignados de
  dos formas básicas
• Uno a la vez. El recurso es asignado a un solo
  proceso/usuario, el uso es intercalado. Por
  ejemplo el recurso procesador es recuperado por
  el Sistema Operativo. Los archivos son liberados
  por los procesos.

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Requisitos

• Muchos a la vez Es una compartición real, muchos
  procesos son asignados a un recurso. Por ejemplo
  una página en memoria es asignada a muchos
  programas, un archivo es asignado a muchos
  recursos.
• Para realizar compartición de recursos se
  necesitan considerar usuarios (u), derechos (d)
  y recursos (r).

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Requisitos

• Por este motivo se necesita de una base de datos
  de nmr
• Al compartir recursos se generan colas (lista de
  espera).
• El principal problema de la compartición es la
  concurrencia a un recurso

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Requisitos

• Los mecanismos más básicos de compartición hacen
  referencia a base de datos (tablas), semáforos y
  listas ligadas.
• Cada recurso define su forma de compartir.
• Por ejemplo en una sesión de computadora un
  recurso puede estar asignado en un tiempo, el
  cual recibe el nombre de quantum.

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Requisitos

• Los derechos de los usuarios prevalecen sobre una
  sesión.
• Otro requisito indispensable para compartir
  recursos es que los procesos sepan que el recurso
  está compartido.
• También es requisito indispensable que los
  procesos se puedan comunicar entre sí para
  compartir cualquier recurso (IPC).

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2.3 Procedimientos entrantes

• La base fundamental para que se pueda compartir
  recursos es que los procesos puedan soportarlo.
• Para que sean compartidos eficientemente en un
  sistema de multiprogramación, los procesos deben
  ser concurrentemente reutilizables (también
  llamados procesos puros).

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Procedimientos reentrantes

• Un proceso puro opera solamente sobre variables
  que están en registros del CPU o sobre datos que
  están en otros segmentos asociados con la tarea
  nunca se modifican a sí mismos. Ejemplo Los
  Archivos Ejecutables (EXE). Ejemplo de Archivos
  No Reentrantes Archivos de Comando (COM).

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Procedimientos reentrantes

• Otros ejemplos de procesos no reentrantes son el
  uso de CGI, mientras que los Servlets son
  procesos reentrantes.
• Algunos autores definen los procesos reentrantes
  aquellos que pueden obtener datos y memoria fuera
  de su segmento.
• Un programa para ser concurrente necesita ser
  reentrante, pero esto al revés la implicación no
  es necesariamente cierta.

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Procedimientos reentrantes

• Los procesos necesitan de mecanismos de
  protección y sincronización para el uso correcto
  de los recursos.
• Los procesos deben ser bloqueantes (es decir que
  puedan detenerse en espera de un evento) de
  preferencia para obtener una buena compartición
  de los recursos.

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Procedimientos reentrantes

• Los procesos deben responsabilizarse de la
  compartición de los recursos con la supervisión
  del sistema operativo, de lo contrario un proceso
  se puede adueñar de un recurso y jamás dejarlo.
• Cuando dos o más procesos compiten por un recurso
  y este no es liberado por los dos se produce un
  interbloqueo.

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Procedimientos reentrantes

• Las funciones recursivas son un ejemplo claro de
  un programa reentrante por que piden memoria
  dinámica ubicada en distintas localidades de
  memoria.
• Se debe cuidar la consistencia y la integridad de
  los recursos como meta principal.

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2.4 Recursos compartidos asignados estáticamente

• Cuando los procesos compartidos se cargan
  completamente en memoria desde el inicio de su
  ejecución, se dice que la compartición es
  estática. Ejemplo Rutinas del servicio de
  Interrupción del BIOS o MS-DOS

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2.5 Recursos compartidos asignados dinámicamente

• La compartición dinámica consiste en cargar en
  memoria solo la parte requerida de los procesos
  compartidos. Al necesitarse código que no está en
  memoria, éste será cargado durante la ejecución
  de las tareas. Ejemplo Componentes gráficos del
  sistema operativo como los cuadros de dialogo de
  Windows.

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Métodos para la Compartición de Recursos de
Software

• Básicamente existen dos Métodos, los cuales están
  representado por la forma de direccionamiento del
  sistema operativo
• Segmentos Compartidos
• Paginación Compartida  

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Segmentación compartida

• Consiste en que cada proceso tiene una tabla de
  segmentos asociado con su PCB (Bloque de Control
  de Procesos) el cual es utilizado por el
  despachador para definir la tabla de segmentos de
  hardware cuando a ese proceso se le asigne el
  CPU.

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Segmentación compartida

• Los segmentos son compartidos cuando las entradas
  en las tablas de segmentos de dos o más procesos
  diferentes apuntan a las mismas localidades de
  memoria física.

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Segmentación compartida

• Ejemplo Considérese el uso de un editor de
  textos de un sistema de tiempo compartido. En
  lugar de cargar 'n' copias del código del editor,
  este será cargado una sola vez. Si hay varios
  procesos que necesitan usar este código, sus
  tablas de segmento contendrán apuntadores a la
  misma dirección de memoria donde está cargado el
  código.

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Páginas compartidas

• Este método utiliza paginación como sistema base
  de la administración de la memoria. Consiste en
  cargar una sola instancia de las paginas de
  código a compartir y colocar apuntadores a estas
  páginas en las tablas de páginas de todos los
  procesos que utilizan el recurso.

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Páginas compartidas

• Ejemplo Utilizando el mismo editor de textos
  sólo las funciones utilizadas se cargan en
  memoria y están residentes en memoria por si
  otros procesos las utilizan.
• La memoria no es la única forma de compartir
  recursos de software, existen otros mecanismos
  menos eficientes que discutiremos a continuación.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Una forma sencilla de compartir recursos de
  software es a través de utilizar almacenamiento
  secundario archivos.
• Un proceso escribe en un archivo y otro lo lee.
  Este es el funcionamiento de ciertos procesos
  como las tuberías.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Un tubo es un archivo temporal que enlaza la
  salida de un programa con la entrada de otra.
• El problema radica en cuando dos o más procesos
  quieren escribir en el archivo que simula la
  memoria compartida.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Las tuberías en DOS o Linux pueden manejarse a
  nivel de sistema con los operadores de
  redirección lt, gt, gtgt y que redirecciona la
  salida de un programa hacia la entrada de otro.
• Los tubos a nivel IPC se ejecutan en el núcleo
  del sistema operativo.

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Mecanismos para compartir recursos de software

• Las tuberías en POSIX (Portable Operating System
  InterconeXion) se crean a través de la siguiente
  llamada
• int tuberia2 /Descriptor de archivos/
• int pipe(tuberia)
• tuberia0 /Escritura/
• tuberia1 /Lectura/

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Mecanismos para compartir recursos de software

• Al dejar de utilizar una tubería, esta se debe de
  cerrar en sus dos extremos close(tubería).
• Se escriben datos en la tubería como cualquier
  escritura de archivos con read(tuberia1,
  mensaje, strlen(mensaje)) y write(tuberia0,
  mensaje, strlen(mensaje)).

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Mecanismos para compartir recursos de software

• Las tuberías no son bidireccionales, sólo van en
  un sentido, pero se pueden utilizar dos tuberías
  para pasar mensajes en ambas direcciones.
• Las tuberías utilizadas sólo están disponibles
  para los descendientes de un proceso que lo
  crean. Por este motivo, no están disponible para
  otros procesos.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Otra forma de compartir memoria es a través de
  los puertos físicos del sistema, como el puerto
  paralelo o serial. Un proceso puede escribir en
  un puerto (el cual es una dirección de memoria
  conocida) y el otro lee en esa misma dirección,
  el proceso puede ser remoto hacia un periférico.

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Mecanismos para compartir recursos de software

• Los puertos tienen asociados direcciones físicas,
  por ejemplo el puerto serial o de comunicaciones
  COM1 en una IBM PC tiene asociado la dirección
  física 0x3F8-0x3FF
• Escribiendo en esa memoria todos esos datos
  pueden ser leídos por otro proceso o dispositivo.
  Otros puertos son AUX, LPT1, CON en DOS. En Linux
  se manejan otros.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Otra forma de compartir recursos es a través de
  las variables de entorno del sistema operativo.
  Un proceso escribe un valor en una variable y
  otro proceso lo lee.
• Las variables de entorno PATH, USER en los
  sistemas operativos tienen algún valor especial

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Mecanismos para la compartición de recursos de
software

• Las variables de entorno pueden ser a nivel
  usuario o sistema. A nivel usuario sólo están
  disponibles para ese usuario o terminal (no son
  accesibles por otros y por lo tanto no tan
  compartibles), a nivel sistema es global.
• SET varhola
• ECHO var

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Mecanismos para compartir recursos de software

• En sistemas Linux se cuenta con algunas
  primitivas para el acceso a variables de entorno
• char valor getenv(TERM)
• char var1 VARIABLEvalor
• putenv(var1)

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• También se puede hacer la compartición en algunos
  entornos comunes a las aplicaciones como lo son
  variables de entorno de una máquina virtual como
  Java o .NET.
• Otra compartición puede ser a través de procesos
  remotos usando sockets en máquinas dispersas
  geográficamente.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Los sockets permiten comunicar procesos de manera
  remota. Sin embargo, existen sockets que se
  manejan local o bien, la dirección de red de un
  proceso remoto puede ser la misma máquina por lo
  que los remotos se manejan localmente.
• Existen muchas implementaciones de Sockets las
  más conocidas la API de Berkeley (Unix y
  variantes) y los WinSocks en Windows.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Otra forma de compartir recursos es la
  replicación, la cual hace que un pedazo de
  memoria se copie en otro. De alguna forma se
  comparten datos y recursos pero sólo es útil para
  lectura, ya que para escritura deberá
  reintegrarse el contenido siendo en muchos casos
  más complicado que compartirlo.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• En sistemas Unix una manera muy fácil de
  compartir recurso vía duplicación es a través de
  la creación de un subproceso a través de la
  llamada del sistema fork().
• Cuando se realiza un fork, el subproceso hace una
  réplica del segmento total de proceso (datos,
  código, pila, segmento).

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• include ltsys/types.hgt
• pid_t pid
• pid fork()
• Los procesos pueden reemplazar esos segmentos con
  la familia de instrucciones exec.
• Los datos compartidos duran una sóla vez.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• if (pid -1)
• perror(Error al crear proceso)
• else
• if (pid 0)
• /Proceso hijo/
• else
• /Proceso padre/

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Otra forma de compartir recursos de software es a
  través de mecanismos de señalamiento como paso de
  mensajes (colas), interrupciones, señales, los
  cuales son considerados mecanismos de
  sincronización y que se verán en la siguiente
  unidad.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Aunque no es una señal un código de estado de un
  proceso puede servir para compartir información
  entre procesos.
• Al utilizar lenguajes como C, el programador
  puede retornar un valor a otro programa vía el
  sistema operativo. Útil cuando un programa
  depende de otro.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• En Unix, la variable de entorno ? Devuelve el
  estado del último proceso, en D.O.S. es la
  variable errorlevel
• Una forma más eficiente de terminar un proceso y
  enviar datos es a través de la función exit() y
  atexit() que cierran de forma segura el sistema

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Mecanimos de compartición de recursos de software

• La forma más eficiente de compartir recursos es a
  través de la memoria compartida.
• En sistemas Unix se puede compartir memoria a
  través de las primitivas IPC. Las cuales son
• include ltsys/shm.hgt
• int shmget(key, size, shmflg)

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• int shmid
• if((shmid shmget(llave, 4096, IPC_CREATE
  0600)) -1)
• /Error al crear memoria compartida/
• int shmctl(shmid, cmd, buf)
• cmd indica la operación la cual puede ser
  IPC_STAT, IPC_SET, IPC_RMID, SHM_LOCK, SHM_UNLOCK.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• struct shmid_s buf
• smctl(shmid, IPC_RMID, 0)
• char shmat(shmid, shmaddr, shmflg) /Liga/
• int shmdt(shmaddr) /Desliga la memoria/
• Las llaves son genéricas para todos los IPC e
  identifican de manera única dicho objeto en el
  núcleo.

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• key_t llave
• if((llave ftok(/etc/ntp.conf, A)
  (key_t)-1)
• /Error al crear la llave/
• ipcs se utiliza para ver los mecanismos ipc
  asignados (-q, -m, -s, -b)
• ipcrm se utiliza para liberar recursos (-q msqid,
  -m shmid, -s semid)

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• float memoria
• shmid shmget(llave, MAX sizeof(float),
  IPC_CREAT 0600)
• memoria shmat(shmid, 0, 0)
• /Operar memoria/
• shmdt(memoria)
• shmctl(shmid, IPC_RMID, 0)

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Mecanismos de compartición de recursos de software

• Otra forma de compartir recursos de software en
  Windows consiste en utilizar mecanismos
  centralizados por el sistema operativo como lo
  son el portapapeles (Clipboard) y el registro.
• El portapapeles es un área de memoria compartida
  que sólo puede contener un valor a la vez.

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Mecanismos de compartición de recursos de
softtware

• El portapapeles es de tamaño variable. Se puede
  administrar esta zona de memoria para guardar más
  datos como lo hace el portapapeles de office.
• El registro es una base de datos de
  configuraciones del sistema. Cualquier proceso
  puede leer y actualizar el registro.

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Compartición de recursos de Software en Windows

• Dentro del MFC, no existen APIs directas para la
  manipulación del portapapeles, en .NET se
  encuentra con la clase Clipboard.
• Afortunadamente existen diversas clases en
  Internet que permiten enmascarar la complejidad
  del portapapeles de la API Win32, sólo se debe
  tener en cuenta que existen métodos para
  manipular texto y otros para imágenes.

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Compartición de recursos de software en Windows

• Manipular el registro se hace de forma fácil
  utilizando .NET ya que cuenta con el nombre de
  espacio microsoft.win32 en la cual se cuentan con
  clases de envoltura para el manejo del registro.
• En visual C se tiene que utilizar funciones
  como RegCreateKeyEx(), RegSetValue(),
  RegOpenKey() y RegCloseKey().

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Compartición de recursos de software Windows

• El término módulo describe una colección
  relacionada de código, datos y otros recursos
  (por ejemplo, mapas de bits) presentes en
  memoria. Normalmente, tal colección conformará o
  bien un único programa ejecutable o una
  biblioteca de ligado dinámico (DLL).

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Compartición de Recursos de Software en Windows

• Se debe tener un registro de los módulos cargados
  en cada instante, ya que dicho registro permite
  detectar que segmentos de código y recursos (como
  íconos), ya están en uso. En lugar de cargar una
  segunda copia y ocupar más memoria, Windows crea
  referencias adicionales para los recursos que ya
  están en uso.

59
Compartición de Recursos de Software

• Durante la vida del sistema, Windows mantiene una
  cuenta de uso para cada recurso.
• Cuando las aplicaciones hacen uso de un recurso,
  el sistema incrementa la cuenta de referencia.

60
Compartición de Recursos de Software en Windows

• Cuando finaliza la aplicación, el sistema
  decrementa la cuenta de referencia.
• Una cuenta de referencia con valor 0 indica que
  el recurso ya no está en uso y el sistema puede
  ocupar la memoria liberada.
• Este esquema es utilizado por los recolectores de
  basura en lenguajes POO como Java y C.

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Compartición de recursos de Software

• Se implementa mediante el uso de unas estructuras
  de datos llamadas objetos de núcleo. Una
  aplicación Win32 crea, abre y maneja objetos de
  núcleo (objetos proceso, objetos suceso, objetos
  semáforo, objetos hilo, etc.) con regularidad.

62
Compartición de Recursos de Software

• Cada objeto del núcleo es un bloque de memoria
  asignado por el Kernel y al que sólo puede
  acceder el Kernel (parecidos a los IPC de UNIX).
• Este bloque de memoria es una estructura de datos
  cuyos elementos contienen información sobre un
  objeto.

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Compartición de Recursos de Software

• Dicho bloque de memoria dispone de algunos campos
  comunes a todos los tipos de objeto, por ejemplo,
  nombre del objeto, descriptor de seguridad,
  contador de utilización, etc., mientras que otros
  serán propios de cada tipo de objeto.

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Compartición de recursos de software

• Por ejemplo, un objeto-proceso contendrá una
  identificación del proceso, una prioridad de base
  y un código de salida, mientras que un
  objeto-archivo contendrá un desplazamiento de
  bytes, un modo de compartición y un modo de
  apertura.

65
Compartición de recursos de software

• Las DLL se pueden crear de manera similar a lo
  que es una función estática para ello se debe de
  utilizar directivas especiales. Si se utiliza
  Visual C que hace uso de la API Win32 a través
  de la MFC (Microsoft Foundation Clasess) se
  seguirá el proceso.
• Crear un proyecto en C (se puede escoger
  proyecto de DLL pero no es del todo necesario).

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Compartición de Recursos de Software

• En el archivo .cpp se agrega el modificador
  __declspec(dll) para cada método o función que se
  desea este presente en la DLL, también se pueden
  exportar datos.
• __declspec(dll) int suma(int a, int b)
• return ab

67
Compartición de recursos de software

• int compartida 10
• Si se utiliza este segmento de código (la DLL
  generada deberá ser visible al programa que la va
  a ocupar, así como tener un archivo de encabezado
  .h) se verá que los datos no son compartidos.
• Se le tiene que indicar explícitamente que
  comparta los datos.

68
Compartición de recursos de software

• La compartición se indica a través de las
  siguientes directivas del compilador
• pragma data_seg(DataCom)
• int valor 0
• char cad30 NULL
• pragma
• pragma comment (linker, SECTION DataCom, rws)

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Librerías en Linux

• Las librerías estáticas se crean como cualquier
  programa en C, poniendo en un archivo de
  encabezado (.h) los prototipos de función y en el
  código fuente (.c) la definición de las funciones
  sin utilizar una función main
• Después el código se debe compilar a formato de
  objeto con gcc c libreria.c libreria.o

70
Librerías en Linux

• Después se deben crear los módulos con el comando
  ar, de la siguiente forma
• ar r c s libreria.a librería.o
• Con el comando nm se pueden visualizar las
  dependencias de las diferentes funciones
• nm librería.a

71
Librerías en Linux

• Para utilizar la librería se utiliza realiza un
  programa en el cual se incluye el archivo de
  cabecera de la librería.
• Se debe indicar con las opciones l para indicar
  la librería (.h) y L en donde buscar la librería
  compilada
• gcc g programa.c o programa L. -lerr

72
Librerías en Linux

• Las librerías dinámicas tienen la extensión .so y
  son diferentes a las estáticas .a en que se
  cargan en memoria una sola vez y pueden ser
  reutilizables por otros procesos.
• El comando ldd permite verificar que librerías
  ocupa un programa para ejecutarse. Si se utiliza
  los parámetros d y r para ver funciones y
  objetos faltantes.

73
Librerías en Linux

• El prefijo .so viene del nombre shareable object
  (objeto compartido)
• Las librerías dinámicas son administradas por el
  kernel del sistema.
• Por ejemplo las librerías de C están por ejemplo
  en libc.so.5.4.46, una pequeña variación podría
  ser totalmente diferente a la otra.

74
Librerías en Linux

• La parte fija de las librerías dinámicas recibe
  el nombre de soname, en este caso libc.
• Los programas se relacionan en base a su libc.
  Esto se asocia a través de la utilidad ldconfig.
• Por qué las bibliotecas dinámicas son
  incompatibles?

75
Librerías en Linux

• Se vuelven incompatibles sobre diferentes vistas
  
• han sido modificadas las interfaces de función
  exportadas
• han sido añadidas nuevas interfaces de funciones,
  
• el comportamiento de ciertas funciones varía
  respecto de su especificación original

76
Librerías en Linux

• Para evitar la problemática de las librerías
  dinámicas se debe tener cuidado en
• Añadir funciones con nuevos nombres en lugar de
  modificar o cambiar funcionalidad
• Añadir estructuras de datos sólo cuando sea
  necesario
• Las librerías dinámicas a nivel de implementación
  son iguales a las estáticas, difiere la forma de
  compilarlas.

77
Librerías en Linux

• Para crear la librería de forma dinámica se
  siguen los siguientes pasos
• Compilar la librería en formato objeto con la
  opción fPIC para generar Código Independiente de
  la Posición
• gcc fPIC g c librería.c o librería.o

78
Librerías en Linux

• No utilizar la opción fomit-frame-pointer de gcc
  para poder realizar depuración.
• Utilizar las opciones shared soname y -Wl de
  gcc
• gcc g shared Wl, -soname, libreria.so o
  librería.so.1.0.0.0 librería.o -lc

79
Librerías en Linux

• Se debe enlazar la librería de C para que tenga
  su funcionalidad y no tenga problemas de
  versiones
• ln s librería.so.1.0.0 librería.so.1
• ln s librería.so.1.0.0 librería.so
• Los directorios por default en donde se
  encuentras las librerías son /lib y /usr/lib

80
Librerías en Linux

• Para utilizar una librería dinámica se utiliza de
  la misma manera que su variante estática en el
  programa
• gcc g programa.c o programa L. lerr
• Se debe agregar la ruta donde se encuentra la
  librería LD_LIBRARY_PATH (pwd) ./libreria

81
Referencias

• Tutorial de Sistemas Operativos 2. Instituto
  Tecnológico de la Paz. http//sistemas.itlp.edu.mx
  /tutoriales/sistemasoperativos2/ agosto 2007
• Tanebaum, A., Woodhull, A. (1997) Sistemas
  Operativos. Diseño e Implementación. México,
  Prentice Hall. ISBN 970-17-0165-8.

82
Referencias

• Villegas, Cristobal. Material Curso de Sistemas
  Operativos 2 (2002). Instituto Tecnológico de
  Morelia, México.
• Silberschatz, Abraham, Galvin, Peter, Sistemas
  Operativos, Quinta edición (1999). México,
  Pearson.

83
Referencias

• Wall, Kurt (2000) Programación en Linux con
  Ejemplos, Pearson Buenos Aires, Argentina,
  ISBN 987-9460-09-X, pp- 299-318.

84
Preguntas?