Arquitetura de Computadores: Processos e Threads

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Arquitetura de Computadores: Processos e Threads: Hierarquias de Processos, Estados de processos, I/O bound x CPU bound, Gerenciamento de processos, ESCALONADOR/ESCALONAMENTO, Preempção, Bloco de controle do processo (PCB), Algoritmos de escalonamentos, Modelo de Geração de Multithreads

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Arquitetura de Computadores: Processos e Threads

  1. 1. www.evandrojunior.pro.br ANDREW S. TANENBAUM, Sistemas operacionais modernos - Terceira edição.
  2. 2. www.evandrojunior.pro.br
  3. 3. www.evandrojunior.pro.br
  4. 4. www.evandrojunior.pro.br
  5. 5. PROCESSOS Entidade dinâmica que consiste num programa em execução, os seus valores correntes, informação de estado e recursos utilizados pelo sistema operativo. Formação: Um processo constitui uma atividade. Ele possui programa, entrada, saída e um estado. Um único processador pode ser compartilhado entre os vários processos, com algum algoritmo de escalonamento usado para determinar quando parar o trabalho sobre um processo e servir um outro; Definição: www.evandrojunior.pro.br
  6. 6. PROCESSOS O escalonamento de processos ou agendador de tarefas (scheduling) é uma atividade organizacional feita pelo escalonador (scheduler) da CPU ou de um sistema distribuído, possibilitando executar os processos mais viáveis e concorrentes, priorizando determinados tipos de processos. Escalonamento : www.evandrojunior.pro.br
  7. 7. PROCESSOS Em qualquer sistema multiprogramado, a CPU reveza de programa para programa, executando cada um deles por dezenas ou centenas de milissegundos; www.evandrojunior.pro.br
  8. 8. PROCESSOS (a) Multiprogramação de quatro programas. (b) Modelo conceitual de 4 processos sequenciais, independentes. (c) Somente um programa está ativo a cada momento. Modelo de Processo: www.evandrojunior.pro.br
  9. 9. PROCESSOS Há quatro eventos principais que fazem com que processos sejam criados: 1. Inicio do sistema. 2. Execução de uma chamada ao sistema de criação de processo por um processo em execução. 3. Uma requisição do usuário para criar um novo processo. 4. Inicio de um Job em lote. Tecnicamente, em todos estes casos, um novo processo e criado por um processo existente executando uma chamada ao sistema de criação de processo. Criação de Processos www.evandrojunior.pro.br
  10. 10. PROCESSOS Também conhecidos por .bat. É um arquivo de computador utilizado para automatizar tarefas. É regularmente confundido com o modo de processamento de dados no qual são processados em grupos, ou lotes, por meio de uma rotina agendada. O batch neste caso, nada mais é um conjunto de comandos rodados sequencialmente. Podemos compará-lo, grosso modo, aos scripts do Unix. Batch ou arquivo de lote www.evandrojunior.pro.br
  11. 11. PROCESSOS Depois de criado, um processo começa a executar e faz o seu trabalho. Mais cedo ou mais tarde o processo terminará, normalmente por uma das seguintes razoes: › Saída normal (voluntária) – Na maioria das vezes os processos terminam porque fizeram o seu trabalho. Outra saída normal e por exemplo quando o utilizador sai do programa como deve ser. › Saída por erro (voluntária) – Quando o processo descobre um erro fatal. O processo emite uma chamada de saída ao sistema. Término de Processos www.evandrojunior.pro.br
  12. 12. PROCESSOS › Erro fatal (involuntário) – Quando o erro e causado pelo processo, muitas vezes um erro de programa. Exemplos: quando encontra uma divisão por zero, instrução ilegal, etc. › Cancelamento por um outro processo (involuntário) – Quando um processo executa uma chamada ao sistema dizendo para cancelar algum outro processo. Em linux: kill. Término de Processos www.evandrojunior.pro.br
  13. 13. PROCESSOS Pai cria um processo filho, processo filho pode criar seu próprio processo; • UNIX chama isso de “grupo de processos”. • Windows não possui o conceito de hierarquia de processos;  Todos os processos são criados iguais. Hierarquias de Processos www.evandrojunior.pro.br
  14. 14. PROCESSOS Estados de processos www.evandrojunior.pro.br
  15. 15. 1 PROCESSOS Quando um processo descobre que não pode prosseguir passa para o estado de bloqueado. Transições entre os estados www.evandrojunior.pro.br Execução -› Bloqueado
  16. 16. 1 PROCESSOS Exemplo: cat teste | grep tree O processo do grep tem de esperar pela saída do processo cat. Se o processo grep tem tempo de CPU e o processo cat ainda não terminou então o grep passa para o estado de bloqueado. Transições entre os estados www.evandrojunior.pro.br Execução -› Bloqueado
  17. 17. 2 PROCESSOS Transições causadas pelo escalonador de processos, gerenciamento de tempo de CPU, Execução -> Pronto ocorre quando o escalonador de processos decide que o processo em execução já teve o seu tempo de CPU, e Pronto -> Execução ocorre quando já todos os processos estiveram em execução volta novamente para o mesmo. Transições entre os estados www.evandrojunior.pro.br Execução -› Pronto e Pronto -› Execução
  18. 18. 3 PROCESSOS Ocorre quando o processo que estava no estado bloqueado tem disponível aquilo que estava à espera. Se o CPU estiver livre esse processo passa logo para o estado de Execução, senão fica a aguardar até chegar a sua vez. Transições entre os estados www.evandrojunior.pro.br Bloqueado -› Pronto
  19. 19. PROCESSOS Transições entre os estados www.evandrojunior.pro.br
  20. 20. PROCESSOS O que causa uma transição? www.evandrojunior.pro.br • Pronto -> executando – Algoritmo de escalonamento • Executando -> pronto – Interrupção de tempo – Interrupção devida ao escalonador – Decisão espontânea (yield) • Executando -> bloqueado – E/S – sincronização
  21. 21. PROCESSOS O que causa uma transição? www.evandrojunior.pro.br • Bloqueado -› pronto -› Interrupção • Executando -› encerrado -› Interrupção (Ctrl-C) -› Término normal • Bloqueado, pronto -› encerrado -› Interrupção (Ctrl-C, kill)
  22. 22. PROCESSOS Mais um estado: suspenso www.evandrojunior.pro.br • Dois problemas principais para gerar os recursos: -› A CPU é muito mais rápida do que a memória; -› A memória é de tamanho finito. • Precisa-se, então, poupar a memória. • Por isso: -› Processos bloqueados que estão na memória podem ser transferidos para o disco (swap) até sua E/S ser acabada. -› Processos prontos podem também ser descarregados para o disco.
  23. 23. PROCESSOS CPU - bound (ligado à CPU) Maior parte do tempo em estado de execução, ou seja, usando o processador . I/O bound x CPU bound www.evandrojunior.pro.br I/O - bound (ligado à E/S) Maior parte do tempo em estado de bloqueado . Fazendo operações de E/S .
  24. 24. PROCESSOS Um processo pode iniciar CPU-bound e tornar-se I/O-bound (e vice-versa) . Melhor eficiente é o revezamento entre os dois. I/O bound x CPU bound www.evandrojunior.pro.br
  25. 25. www.evandrojunior.pro.br
  26. 26. Gerenciamento de processos SO organiza os processos da fila de prontos Periodicamente o ESCALONADOR de processos: › Escolhe um processo da fila para executar › Critério de escolha pode variar Alguns critérios usados para escalonamento › Ordem de chegada dos processos › Fatia de tempo demandada pelo processo › Prioridade do processo www.evandrojunior.pro.br
  27. 27. Gerenciamento de processos Outros nomes para ESCALONADOR/ESCALONAMENTO: › Despachante/despacho › Dispatcher/dispatch Quando um processo solicita uma operação de E/S › Ele é interrompido e desviado para a fila de bloqueado. › Posteriormente, ele retornará para o fim da fila de pronto. › Então, será submetido ao critério de escalonamento da fila. www.evandrojunior.pro.br
  28. 28. Gerenciamento de processos Capacidade do SO de interromper um processo a qualquer instante (a seu critério) e retomar a execução a partir do ponto de interrupção. www.evandrojunior.pro.br Preempção
  29. 29. Bloco de controle do processo (PCB) Ao criar um processo, o SO cria um BCP (PCB). › É uma tabela com informações relativas ao processo. › Reside na RAM enquanto o processo existe. › Acesso exclusivo do SO. www.evandrojunior.pro.br
  30. 30. Bloco de controle do processo (PCB) Bloco de Controle do Processo (ou Descritor do Processo). www.evandrojunior.pro.br
  31. 31. www.evandrojunior.pro.br
  32. 32. Escalonamento Em sistemas multiprograma (multi-tarefa), a cada instante um ou mais processos podem estar no estado pronto. – Processos do sistema e de usuários – Processos de vários usuários (sistema time-sharing) – Mix de processos interativos e batch (simulação, folha de pagamento). Basicamente, time-sharing consiste em alternar entre diferentes processos de forma que o usuário tenha a percepção que todos os processos estão sendo executados simultaneamente, permitindo a interação com múltiplos processos em execução. www.evandrojunior.pro.br
  33. 33. Escalonamento Escalonador é responsável por gerenciar a fila de prontos, e escolher qual dos processos prontos vai ser o próximo a usar CPU (de acordo com as prioridades dos processos) Também é responsável por ajustar (aumentar/diminuir) a prioridade dos processos www.evandrojunior.pro.br
  34. 34. Escalonamento Não existe um algoritmo ideal, cada algoritmo persegue um objetivo. Por exemplo: – Garantir justiça (fairness): cada processo ganha fatia igual da CPU. – Aumentar eficiência: manter utilização de CPU alta (próxima a 100%). – Minimizar tempo de resposta (para processos interativos). – Minimizar de tempo médio de permanência no sistema (Δt entre início-fim de processos batch). – Maximizar vazão: maior número possível de processos processados por unidade de tempo. Sempre que beneficia uma classe de processos, prejudica-se outras classes. www.evandrojunior.pro.br
  35. 35. Escalonamento 1. Escalonamento de longo prazo Ao ser criado, processo recebe uma prioridade (vai para uma fila dos prontos) 2. escalonamento de curto prazo (“dispatching”) Escolhe um dos processos da/s lista/s de prontos para executar • Geralmente, o escalonamento de curto prazo dá um quantum de tempo (Δt) de CPU para cada processo. www.evandrojunior.pro.br
  36. 36. Escalonamento Têm parâmetros que precisam ser ajustados para maximizar a “satisfação média” de todos os usuários e garantir execução eficiente das tarefas essenciais ao sistema (processos do sistema) . www.evandrojunior.pro.br Principal problema: o comportamento futuro de um processo não é previsível (quando fará uso intensivo da CPU, e quando fará E/S frequente)
  37. 37. Escalonamento de Curto Prazo Ações e eventos que fazem um processo entrar na fila dos prontos. www.evandrojunior.pro.br
  38. 38. Tipos de Escalonamento Com relação ao momento da invocação do escalonador: Preemptivo: a cada clock tick escalonador verifica se processo corrente já expirou seu quantum de tempo, e se sim, interrompe-o, e escolhendo outro processo para executar Não-preemptivo: escalonador só é chamado quando processo é bloqueado (chamada de sistema), ou termina. Com relação ao método de seleção do processo mais prioritário: Uso da função P = Priority(p) Regra de desempate (para processos de mesma prioridade) • Escolha randômica • Cronológica (FIFO) • Cíclica (Round Robin) www.evandrojunior.pro.br
  39. 39. www.evandrojunior.pro.br
  40. 40. Possíveis Parâmetros da Função Prioridade • Internos (do sistema) – Tipo do processo (sistema vs usuário). – Quantidade de memória usada. – Tempo total de CPU requisitado. – Tempo de serviço obtido / alcançado. – Tempo total de permanência no sistema. • Externos – Prazo para término de ação (Deadline). – Prioridade do usuário: root vs normal. www.evandrojunior.pro.br
  41. 41. First In First Out (FIFO) Execução por ordem de chegada (não Preemptivo) Tempo médio de espera? Bom? www.evandrojunior.pro.br
  42. 42. Shortest Job First (SJF) Escalonamento não Preemptivo para processamento em lote Tempo médio de espera: ? Bom? www.evandrojunior.pro.br
  43. 43. Escolha Circular - Round Robin • Processos prontos ficam em uma fila de prontos • Cada processo recebe um quantum de tempo de CPU. Após esgotar o tempo, é interrompido e posto no final da fila. • Objetivo: justiça no atendimento de muitos processos centrados em E/S www.evandrojunior.pro.br
  44. 44. Escolha Circular - Round Robin Sejam processos na fila com seus tempos de rajada: • P1: 20 • P2: 12 • P3: 8 • P4: 16 • P5: 4 O Diagrama de Gannt e tempo médio de espera www.evandrojunior.pro.br
  45. 45. Escalonamento com múltiplas filas (ML) • Para sistemas com mix de processos interativos e em lote • Processos são classificados segundo prioridade, e cada classe tem sua própria fila de prontos. • Seleciona todos de prioridade 1; a seguir, todos de prioriade 2, etc.… • Para evitar o problema de inanição (= alguns processos nunca ganham a vez), pode-se definir períodos de tempo máximos para cada categoria: por exemplo, 70% para 1, 20% para 2 … www.evandrojunior.pro.br
  46. 46. Comparação Sistemas em lote – FIFO, SJF, SRT – FIFO é o mais simples – SJF/SRT possuem tempos médios de turnaround (#processos/tempo) menores Sistemas time-sharing – Tempo de resposta é crítico – RR puro ou MLF (c/ RR por nível) são apropriados – A escolha do quantum de tempo q determina o overhead • Quando q → ∞, RR se aproxima de FIFO • Quando q → 0, overhead de troca de contexto (TC) → 100% • Quando q >> overhead de TC, n processos executam desempenho ≈1/n CPU velocidade www.evandrojunior.pro.br
  47. 47. www.evandrojunior.pro.br
  48. 48. Threads Conceito A necessidade de se fazer várias coisas simultaneamente aparece frequentemente na computação. Para vários programas distintos, normalmente o próprio sistema operacional gerencia isso através de vários processos em paralelo. Em um programa só (um processo só), se queremos executar coisas em paralelo, normalmente falamos de Threads. www.evandrojunior.pro.br
  49. 49. Threads Conceitos É uma forma de um processo dividir a si mesmo em duas ou mais tarefas que podem ser executadas concorrencialmente. http://pt.wikipedia.org/wiki/Thread Um pequeno programa que trabalha como um sub-sistema independente de um programa maior, executando alguma tarefa específica. http://www.hardware.com.br/termos/thread Linha de execução independente dentro de um mesmo processo. http://www-di.inf.puc-rio.br/ "Duas tarefas ao mesmo tempo“ http://www.caelum.com.br/ www.evandrojunior.pro.br
  50. 50. Threads Os sistemas que suportam uma única thread (em real execução) são chamados de monothread enquanto que os sistemas que suportam múltiplas threads são chamados de multithread. www.evandrojunior.pro.br
  51. 51. Threads www.evandrojunior.pro.br
  52. 52. Threads Vantagem Um programa dividido em vários threads pode rodar mais rápido que um programa monolítico, pois várias tarefas podem ser executadas simultaneamente. Os vários threads de um programa podem trocar dados entre si e compartilhar o mesmo espaço de memória e os mesmos recursos do sistema. www.evandrojunior.pro.br
  53. 53. Threads Exemplo 1 www.evandrojunior.pro.br Um exemplo simples seria um jogo, que pode ser modelado com linhas de execução diferentes, sendo uma para desenho de imagem e outra para áudio. Neste caso, há um thread para tratar rotinas de desenho e outro thread para tratar áudio; No ponto de vista do usuário, a imagem é desenhada ao mesmo tempo em que o áudio é emitido pelos alto-falantes; Porém, para sistemas com uma única CPU, cada linha de execução é processada por vez.
  54. 54. Threads Exemplo 2 www.evandrojunior.pro.br Imagine um programa que gera um relatório muito grande em PDF. É um processo demorado e, para dar alguma satisfação para o usuário, queremos mostrar uma barra de progresso. Queremos então gerar o PDF e ao mesmo tempo atualizar a barrinha.
  55. 55. Threads Como funciona no Windows O Windows têm mais facilidade para gerenciar programas com apenas um processo e vários threads, do que com vários processos e poucos threads, pois Windows o tempo para criar um processo e alternar entre eles é muito grande. www.evandrojunior.pro.br
  56. 56. Threads Como funciona no Linux O Linux e outros sistemas baseados no Unix por sua vez é capaz de criar novos processos muito rápido, o que explica o fato de alguns aplicativos, como por exemplo o Apache, rodarem muito mais rápido no Linux do que no Windows, ao serem portados para ele. www.evandrojunior.pro.br
  57. 57. Threads Processos com um ou mais threads www.evandrojunior.pro.br
  58. 58. Threads Principais Características 1. Cada thread tem a sua pilha própria, mas compartilha o mesmo espaço de endereçamento do processo em que foi criada; 2. Se duas threads executam o mesmo procedimento/método, cada uma terá a sua própria cópia das variáveis locais; www.evandrojunior.pro.br
  59. 59. Threads Principais Características 3. As threads podem acessar todas os dados globais do programa, e o heap (memória alocada dinamicamente); www.evandrojunior.pro.br
  60. 60. Threads Exemplo de uso de threads Um processador de texto com três threads. www.evandrojunior.pro.br
  61. 61. Threads Um servidor web com múltiplas threads. www.evandrojunior.pro.br
  62. 62. Threads Cada thread executa um procedimento que consome um request R, processa-o e gera uma resposta. www.evandrojunior.pro.br
  63. 63. Threads ULT e KLT Usualmente as threads são divididas em duas categorias: thread ao nível do utilizador (em inglês: User-Level Thread (ULT)), e thread ao nível do núcleo (em inglês: Kernel-Level Thread (KLT)). www.evandrojunior.pro.br
  64. 64. Threads Thread de usuário São suportadas pela aplicação, sem conhecimento do núcleo e geralmente são implementadas por pacotes de rotinas (códigos para criar, terminar, escalonamento e armazenar contexto) fornecidas por uma determinada biblioteca de uma linguagem, como é o caso da thread.h (biblioteca padrão da linguagem C). www.evandrojunior.pro.br
  65. 65. Threads Thread de kernel A gestão da thread (KLT) não é realizada através do código do próprio programa; todo o processo é subsidiado pelo SO. www.evandrojunior.pro.br
  66. 66. Threads Thread de Usuário x Thread de kernel www.evandrojunior.pro.br
  67. 67. Modelo de Geração de Multithreads Modelo Muitos-Para-Um O modelo muitos-para-um mapeia muitos threads de nível de usuário para threads do kernel. www.evandrojunior.pro.br
  68. 68. Modelo de Geração de Multithreads Modelo Um-Para-Um O modelo um-para-um mapeia cada thread de usuário para um thread de kernel, gera mais concorrência do que o modelo muitos-para-um. www.evandrojunior.pro.br
  69. 69. Modelo de Geração de Multithreads Modelo Muitos-Para-Muitos O modelo muitos-para-muitos multiplexa muitos threads de nível de usuário para um número menor ou igual de threads de kernel. www.evandrojunior.pro.br
  70. 70. Threads Cancelamento O cancelamento de threads corresponde à tarefa de terminar um thread antes que se complete. www.evandrojunior.pro.br
  71. 71. Threads Cancelamento Por exemplo: Se múltiplos threads estão pesquisando concorrentemente em um banco de dados e um thread retorna o resultado, os threads que ainda estão sendo executados podem ser cancelados. www.evandrojunior.pro.br
  72. 72. Threads Cancelamento Por exemplo: Uma outra situação pode ocorrer quando um usuário pressionar um botão em um navegador da Web. Com frequência, uma página da Web é carregada em um thread separado. Quando um usuário pressionar o botão stop, o thread que estava carregando a página é cancelado. Um thread que está para ser cancelado é frequentemente denominado thread- alvo. www.evandrojunior.pro.br

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