Processos e threads cap 02 (i unidade)

Sistemas operacionais
modernos
Terceira edição
ANDREW S. TANENBAUM
Capítulo 2
Processos e
Threads
Adaptado por:
Prof. Esp. Rodrigo Ronner
rodrigoronner@gmail.com
http://rodrigoronner.blogspot.com

Processos
• Processo – entidade dinâmica que consiste num programa em
execução, os seus valores correntes, informação de estado e
recursos utilizados pelo sistema operativo na gestão da execução
do processo;
• 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;
• Todos computadores modernos são capazes de fazer várias coisas
ao mesmo tempo;
• Em qualquer sistema multiprogramado, a CPU chaveia de
programa para programa, executando cada um deles por dezenas
ou centenas de milissegundos;

4
Processos - O Modelo de Processo
• (a) Multiprogramação de quatro programas
• (b) Modelo conceitual de 4 processos sequenciais, independentes
• (c) Somente um programa está ativo a cada momento

5
Processos – LINUX
• Comandos da shell
• ps – listar processos
• pstree – ver hierarquia dos processos
• top – ver informações adicionais sobre os processos
• kill – enviar sinal a um processo (pode ser um sinal para terminar
outro processo)
• Chamadas ao sistema
• fork() – criar um novo processo filho
• exit(.) – terminar processo
• kill(.) – enviar sinal a um outro processo

6
Processos – Windows 2000
• TaskManager
• visualizar os processos que estão a correr
• possibilita ao utilizador a terminação de processos
• Chamadas ao sistema
• CreateProcess(.) – criação de processos
• ExitProcess(.) – saída voluntária
• TerminateProcess(.) – terminação de outro processo

Processos – Criação de 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.

Processos – Término de Processos
Depois de criado, um processo começa a executar e faz o seu trabalho.
Mais cedo ou mais tarde o processo terminara, 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. (A cruz da
janela por exemplo)
• Saída por erro (voluntária) – Quando o processo descobre um erro fatal.
O processo emite uma chamada de saída ao sistema.
• 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

9
Processos – Hierarquias de Processos
• Pai cria um processo filho, processo filho pode criar seu próprio
processo;
• Formam uma hierarquia;
• UNIX chama isso de “grupo de processos”.
• Windows não possui o conceito de hierarquia de processos;
• Todos os processos são criados iguais.

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Processos - Estados de Processos (1)
• Possíveis estados de processos
• Em execução (Realmente usando a CPU naquele instante).
• Bloqueado (Incapaz de executar enquanto não ocorrer um
evento externo).
• Pronto (executável; temporariamente parado para dar lugar a
outro processo).
• Mostradas as transições entre os estados

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Mostradas as transições entre os estados
• Execução -> Bloqueado: quando um processo
descobre que não pode prosseguir passa para o
estado de bloqueado:
• Ex: 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.

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• Execução -> Pronto e Pronto -> Execução: 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.

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• Bloqueado -> Pronto: 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.

Processos: I/O-bound x CPU-bound
•CPU-bound (ligado à CPU)
–Maior parte do tempo em estado de execução
–Ou seja: usando o processador
•I/O-bound (ligado à E/S)
–Maior parte do tempo em estado de bloqueado
–Ou seja: fazendo E/S
•Pode: iniciar CPU-bound e tornar-se I/O-bound (e vice-versa)
•Mais eficiente: revezamento entre CPU-bound e I/O-bound

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
•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
•Preempção: capacidade do SO de
–Interromper um processo a qualquer instante (a seu critério)
–Retomar a execução a partir do ponto de interrupção

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
Bloco de Controle do Processo (ou Descritor do Processo)

Threads
• É o fluxo de controle de um processo. Permitem que múltiplas
execuções ocorram no mesmo ambiente do processo com um
grande grau de independência uma da outra.
• Cada thread tem a sua própria pilha. Isso e fácil e perceber porque
normalmente cada thread chama procedimentos diferentes… ou se
chamam os mesmos o que se vai passar, e diferente para cada
thread, então e necessário que cada thread tenha a sua pilha.
• A pilha tem uma estrutura aonde são guardadas as variáveis locais
de um procedimento e o endereço de retorno para usa-lo quando o
procedimento terminar

Threads – O uso de thread
• A principal razão para existirem threads é que em muitas aplicações
ocorrem múltiplas atividades ao mesmo tempo.
• Algumas dessas atividades podem bloquear de tempos em tempos.
• O modelo de programação torna-se mais simples se decompormos
uma aplicação em varias threads sequenciais que executam quase
em paralelo.
• O paralelismo das threads é o mesmo que existe para os processos
mas neste caso as threads de um mesmo processo utilizam todas o
mesmo espaço de endereçamento.
• Uma segunda razão para o uso de threads tem a ver com o fato de
serem mais fáceis de criar e de destruir do que os processos, pois
não tem quaisquer recursos associados a eles.
• Em muitos sistemas criar threads e muito mais rápido que criar
processos. Esta propriedade e útil quando o numero de threads
necessários se altera dinâmica e rapidamente.
• O desempenho também e uma razão para o uso e threads pois
quando existe uma grande quantidade de computação e de ES, os
threads permitem que essas atividades se sobreponham e desse
modo aceleram a aplicação.

Aplicações típicas de threads
•Servidor WEB
–Cada solicitação de cliente: ativa uma thread (operária)
–Processo pai
• Atende às novas solicitações que chegam
• Despacham threads operárias para execução
•Servidor de BD
–Cada query de usuário: ativa uma thread (operária)
–Processo pai: igual ao exemplo anterior
•Processador de texto
–Uma rotina básica de captura de teclas (principal)
–Com menor prioridade, pode implementar threads para:
• Formatar o texto
• Fazer revisão ortográfica
• Fazer revisão gramatical
• Salvar automaticamente o texto (a cada 15 minutos)
•Paralelismo: visa aumentar o desempenho (processo e SO)

21
Threads - Uso de Thread (1)
Um processador de texto com três threads

22
Threads - O Modelo de Thread (2)
Cada thread tem sua própria pilha

23
Threads - Uso de Thread (3)
Um servidor web com múltiplos threads

24
Threads – O Modelo de Thread Clássico (1)
(a) Três processos cada um com um thread
(b) Um processo com três threads

25
Threads – O Modelo de Thread Clássico (2)
• Items compartilhados por todos os threads em um
processo;
• Itens privativos de cada thread;

26
Threads – Implementação de threads no
espaço do usuário
Sucintamente: O usuário cria um processo e depois é o próprio
processo que gerência as suas threads. O processo tem uma tabela
de threads, gerida por um sistema supervisor, para manter o
controle sobre elas, tabela essa que é em tudo parecida a tabela de
processos do núcleo.
Vantagens: quando uma thread decide parar de executar, a
informação da thread e guardada na tabela de threads e o
escalonador de threads pode ser chamado pela parada daquela
thread e selecionar outra thread para executar.
A vantagem disto é que é mais eficiente, o escalonador de threads e
o guardar a informação da thread na tabela assim do que fazer uma
chamada ao núcleo.
Outra vantagem e cada processo pode ter o seu algoritmo de
escalonamento personalizado.

27
Threads – Implementação de threads de
núcleo
• Contrariamente a implementação de threads de usuário, a
implementação de threads de núcleo funciona com o
núcleo a gerir as duas tabelas, a de processos bem como a
das threads.
• Esta tabela das threads acompanha todas as threads do
sistema, enquanto que na implementação de threads de
usuário cada tabela de threads apenas gerência as threads
correspondentes a um processo.

28
Threads – Implementação de threads no
espaço do usuário

Threads – Implementações Híbridas

31
Comunicação entre processos
Frequentemente processos precisam se comunicar com outros.
Há três tópicos em relação a isso:
• O primeiro é como um processo passa informação para um outro;
• O Segundo é como garantir que dois ou mais processos não
entrem em conflito;
• O Terceiro é como como uma sequência adequada quando
existirem dependências: se o processo A produz dados e o
processo B os imprime, B deve esperar até que A produza alguns
dados antes de iniciar a impressão.

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Comunicação entre processos: Condições de Disputa
(ou de Corrida)
• Situações que 2 ou mais processos estão lendo ou escrevendo
algum dado compartilhado e cujo resultado final depende da
ordem de execução;
• Pergunta: isso quer dizer que uma máquina no Brasil e outra no
Japão, cada uma com processos que se comunicam, nunca terão
Condições de Disputa?

34
Ex.:Vagaemavião
1. Operador OP1 (no Brasil) lê Cadeira1 vaga;
2. Operador OP2 (no Japão) lê Cadeira1 vaga;
3. Operador OP1 compra Cadeira1;
4. Operador OP2 compra Cadeira1;
(ou de Corrida)

35
Exemplo:
As vagas 0 a 3 estão vazias (os arquivos já foram impressos) e as vagas 4 e 6 estão preenchidas
(com os nomes dos arquivos na fila de impressão). Mais ou menos simultaneamente, os
processos A e B decidem que querem colocar um arquivo na fila de impressão.
• O processo A lê in e armazena o valor 7, na variável local;
• Logo em seguida ocorre interrupção do relógio e a CPU decide que o Processo A já executou
suficiente. Então chaveia para processo B;
• Este também lê entrada e obtém igualmente um 7;
• Ele do mesmo modo, armazena o 7 em sua variável local;
• Neste instante, ambos os processos pensam que a próxima vaga disponível é a 7;
• O processo B prossegue sua execução. Ele armazena o nome de seu arquivo na vaga 7 e
atualiza in com 8. A partir disso, ele fará outras coisas.
• Eventualmente, o processo A executa novamente a partir de onde parou.
• Verifica próxima vaga livre, encontra lá um 7 e escreve seu nome de arquivo na vaga 7.
• Apagando o nome que o processo B acabou de por lá.
• Então ele calcula próxima vaga livre + 1, que é 8, e põe 8 em in.
O que aconteceu com processo B???
(ou de Corrida)

36
Comunicação entre processos:
Condição de Corrida
Dois processos querem ter acesso simultaneamente à memória
compartilhada

37
Regiões críticas
As regiões criticas são a resposta para evitar o problema das condições de
disputa.
Dando-lhe outro nome: exclusão-mutua é um modo de assegurar que
outros processos sejam impedidos de usar uma variável ou arquivo que já
esteja a ser utilizado por um outro processo.
Região critica e aquela parte do programa em que existe acesso à memoria
partilhada.
Para chegar a uma boa solução de evitar as condições de disputa
precisamos satisfazer quatro soluções.
1. Nunca dois processos podem estar simultaneamente nas suas regiões
criticas;
2. Nada pode ser afirmado sobre a velocidade ou sobre o número de CPU’s ;
3. Nenhum processo executando fora da sua região critica pode bloquear
outros processos;
4. Nenhum processo deve esperar eternamente para entrar na sua região
critica;

38
Exclusão mútua com espera ociosa
• Varias soluções para o problema das regiões critica. Mas todas elas
com o problema da espera ociosa. Quer isto dizer que quando um
processo entra na sua região critica nenhum outro pode entrar
nessa mesma região invadindo-a e causando danos.
• A espera ociosa faz com que os processos que querem entrar na
região estejam constantemente a perguntar se podem (averiguar
uma variável por exemplo) e isto não e muito bom pois assim
consome o tempo de CPU desnecessário.

Propostas para obtenção de exclusão mútua:
Soluções de hardware
–Desabilitar interrupções
–Instrução test-and-set (atomicidade): “variável global” na RAM
•Soluções de software
–Algoritmo de Dekker
–Algoritmo de Peterson
–Algoritmo de Lamport

Solução de Peterson

56
Semáforos
•Conceito proposto por E. W. Dijkstra (déiquistra), em 1965
•Mecanismo de sincronização não estruturado e complexo
•Permite implementar, de forma simples:
–Exclusão mútua e
–Sincronização entre processos
•Um dos principais mecanismos utilizados
–Nos projetos de SO e nas aplicações concorrentes
–Nas linguagens de programação (rotinas para semáforos)
•Um semáforo (S) é:
–Uma variável especial protegida pelo SO (não-negativa)
–Manipulada por duas instruções atômicas (indivisíveis)
• Down (decremento) e
• Up (incremento)
•Se S=zero e Down: thread fica em espera (não ocupada)
•Instruções são implementadas no hardware do processador
•Semáforo está associado a um recurso e pode ser
–binário (ou Mutex): {0;1}
–contador: qq valor inteiro, não-negativo

• Pipes
Exemplo: ps awux | grep httpd
Exemplos Semafóros

60
Monitores
• Conceito proposto por Brinch Hansen, em 1972
• Mecanismos de sincronização de alto nível que tentam tornar
mais fácil o desenvolvimento e correção de programas
concorrentes;
• Conjunto de procedimentos, variáveis e estrutura de dados
definidos dentro de um módulo;
• Somente um processo pode estar executando um dos
procedimentos do monitor em um determinado instante;
• Implementação da exclusão mútua nos monitores é realizada
pelo compilador;
• WAIT – Faz um processo entrar em estado de espera quando
uma variável de condição (estrutura de dados tipo fila) está
impedindo a liberação para outros processo;
• SIGNAL – Liberação do recurso pelo processo que o alocou.

62
Troca de Mensagens
• Mecanismo de comunicação e sincronização entre processos.
• SEND – Envia uma mensagem a um processo receptor
• SEND (Receptor, Mensagem)
• RECEIVE – Recebe uma mensagem de um processo transmissor
• RECEIVE (Emissor, Mensagem)
• Não ocorre exclusão mútua;
• Uma mensagem só pode ser lida apos Ter sido enviada;
• Pode ocorrer perda de mensagens ACK (acknowledgement) – enviada
pelo processo receptor para informar o recebimento da mensagem;
• Se o emissor não receber um ACK em determinado tempo, reenvia a
mensagem;
• Endereçamento direto – só permite a comunicação entre dois processos;
• Endereçamento indireto – utiliza uma área compartilhada (buffer
conhecido como mailbox) onde as mensagens podem ser colocadas pelo
emissor e retiradas pelo receptor.

63
• Quando os dois processo se comunicam de forma síncrona, dizemos que
eles fazem um rendezvous (encontro, em francês “randevu”). Um
processo envia uma mensagem e fica esperando até que o receptor leia a
mensagem.
• Um receptor tenta receber uma mensagem e fica esperando até que o
processo transmissor grave alguma mensagem.
• Dispensa necessidade de buffers.
• A necessidade de espera reduz o grau de concorrência.
• Comunicação assíncrona: O transmissor não aguarda o recebimento da
mensagem.
• O receptor não aguarda o envio de uma mensagem.
• Necessita de buffers
• Maior paralelismo na execução dos processos em relação a síncrona.
Troca de Mensagens

64
Escalonamento
• Quando um computador é multiprogramado, ele muitas vezes tem
varias processos que competem pela CPU ao mesmo tempo;
• Está situação ocorre sempre que dois processos estão no estado
de pronto;
• Se apenas um CPU se encontra disponível, devera ser feita uma
escolha de qual processo executara primeiro;
• A parte do sistema operacional que faz essa escolha é chamada de
escalonador e o algoritmo que ele usa é o algoritmo de
escalonamento.

65
Escalonamento
• Quando um computador é multiprogramado, ele muitas vezes tem
varias processos que competem pela CPU ao mesmo tempo;
• Está situação ocorre sempre que dois processos estão no estado
de pronto;
• Se apenas um CPU se encontra disponível, devera ser feita uma
escolha de qual processo executara primeiro;
• A parte do sistema operacional que faz essa escolha é chamada de
escalonador e o algoritmo que ele usa é o algoritmo de
escalonamento.

66
Escalonamento: Objetivos do escalonador

67
• Filósofos comem/pensam
• Cada um precisa de 2
garfos para comer
• Cada filósofo tenta pegar
um garfo por vez
• Como prevenir deadlock?
Problemas Clássicos de IPC: Jantar dos Filósofos

68
• Jantar dos filósofos não é um problema estudado apenas
porque é legal;
• Ele representa a necessidade de alocar vários recursos para
diferentes processos, sem que ocorra deadlock e/ou
starvation;
• Ou mesmo de alocar recursos escassos;

69
Uma solução errada para o problema do jantar dos
filósofos - deadlock

70
• Que tal pegarmos um garfo e se não conseguir pegar o outro,
devolver o garfo e esperar um tempo fixo?
• Problema de espera de tempo:
• pode chegar a um caso de Starvation;
• E se esperar por um tempo aleatório?
• A maioria das vezes dá certo, mas nem sempre;
• Essas solução é usada em rede local Ethernet quando há
colisão de pacotes;
• Mas há problemas que exigem que a solução dê certo sempre:
controle de segurança de uma usina nuclear;

71
Jantar dos filósofos
• Que tal usarmos semáforo?
• Vamos proteger as 5 chamadas após o think() com um
semáforo;
• O que acontece?

72
Jantar dos Filósofos
Uma solução para o problema do jantar dos filósofos (parte 1)

73
Jantar dos Filósofos
Uma solução para o problema do jantar dos filósofos (parte 2)

Processos e threads cap 02 (i unidade)

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