SO-02 Processos

Processos

Introdução

 Conceito de Processo
 Escalonamento de Processo
 Operações em Processos
 Threads

Eduardo Nicola F. Zagari
2
Processos - Introdução

 Um sistema operacional executa uma variedade de programas:
 Sistemas Batch – jobs
 Sistemas time-sharing – programas
processo

de usuários ou tasks (tarefas)
 Processo
 programa em execução

somente um programa era executado
Primeiros sistemas computacionais
em cada momento (dominando todos
os recursos)

vários programas executando
Sistemas atuais
concorrentemente (multiprogramação),
exigindo maior controle e
compartimentalização dos vários
programas

3

 Processo é mais do que o código do programa:
 contador de programa (PC),
 registradores do processador,
 pilha (parâmetros de subrotinas, endereço de retorno, variáveis
temporárias),
 variáveis globais

Programa (passivo) x Processo (ativo)

 Vários processos podem estar associados a um único programa

4

 Em um SO com multiprogramação, um processo, du-
rante sua existência, passa por uma série de estados
 Basicamente, os estados de um processo são:
 novo: o processo é criado
 em execução/rodando: se está associado a um
processador que está executando suas instruções
 pronto para execução: se o processo aguarda sua vez
para executar (processador indisponível)
 bloqueado/espera: se o processo aguarda que ocorra
algum evento para continuar a executar (término de E/S,
recepção de sinal)
 término: o processo terminou sua execução

5

 Desde o instante que um processo é iniciado, o seu estado
passa pelas seguintes transições:
1. uma CPU ﬁca disponível para o processo, que passa do estado de
pronto para o de execução
2. o processo necessita de algo que não está disponível para
continuar a ser executado, assim, passa de em execução para
bloqueado, aguardando a satisfação de sua necessidade
3. a necessidade do processo é satisfeita, podendo então passar de
bloqueado/espera para pronto para execução
4. o uso da CPU exclusivamente por um só processo deve ser evitado,
para isso pode existir um tempo máximo em exe-cução contínua,
após o qual o processo passa de em execução para pronto,
permitindo que outro processo use a CPU

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novo
escalonado
início
pronto execução

interrupção
E/S ou evento espera por E/
S ou evento fim
bloqueado

término

7

 BCP representa o processo no SO, mantendo a informação
associada com cada um:
 estado do processo: pronto, bloqueado, em execução, ...
 PC: endereço da próxima instrução
 registradores da CPU: variam em no e tipo dependendo da
arquitetura
 informação de escalonamento da CPU: prioridade, ponteiro para
ﬁla de escalonamento, etc
 informação de gerência de memória: registradores base e limite
de memória, tab. de páginas e/ou tab. de segmentos
 informação sobre recursos: quantidade de CPU usada, limite de
tempo de uso, no processo, no do job
 informação de estado de E/S: lista de dispositivos alocados, lista
de arquivos abertos, ...

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PID
Estado do processo
PC
Registradores
Limites de memória
Lista de arquivos abertos

.
.
.

9

P0 SO P1
executando interrupção ou chamada de sistema

salva contexto em BCP0
. ocioso
.
.
carrega contexto de BCP1

ocioso interrupção ou chamada de sistema executando

salva contexto em BCP1
. ocioso
.
.
carrega contexto de BCP0

executando

10

 Objetivo da multiprogramação: maximizar utilização da CPU
 Filas de escalonamento:
 fila de pronto: lista ligada com todos os processos no estado de
pronto (organizada segundo uma política de seleção)
 filas de dispositivos: listas dos processos que fizeram requisição de
E/S e aguardam a liberação do dispositivo
 Em seu ciclo de vida, o processo migra de uma fila para outra
(ação do escalonador)

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BCP7 BCP2
início PID PID
Fila de
pronto registradores registradores
fim
.
. .
.
. .
Fita início
magnética
fim
BCP3 BCP14 BCP6
início PID PID PID
Unidade
de disco 0 registradores registradores registradores
fim
.
. .
. .
.
. . .
BCP5
PID
Unidade início
registradores
terminal 0
fim
.
.
.

12

fila de pronto CPU

E/S fila de E/S requisição de E/S

time slice
expirado

filho executa
termina filho fork

ocorre aguarda uma
interrupção interrupção

13

 Escalonador age sobre a ﬁla de processos prontos de maneira a
escolher qual é o próximo a ser executado
 Escalonador de CPU (ou escalonador de curto prazo): seleciona
qual processo deve ser o próximo a ser executado e aloca a
CPU para ele.
 Executado freqüentemente (milisegundos)
 Deve ser rápido
 Escalonador de job (ou escalonador de médio prazo): seleciona
qual processo deve ser trazido para a ﬁla de pronto.
 Executado pouco freqüentemente (segundos, minutos)
 Pode ser lento
 Controla o grau de multiprogramação

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 Processos podem ser descrito de acordo com o tipo de
processamento que executam:
 CPU-bound (ligado à CPU): passa a maior parte do tempo no
estado fazendo cálculos (em execução) e realiza poucas
operações de E/S (aplicações matemáticas e cientíﬁcas)
 Poucas e longas ʻrajadasʼ de uso de CPU
 I/O-bound (ligado à E/S): passa a maior parte do tempo no estado
bloqueado, pois realiza muitas operações de E/S (aplicações
comerciais e interativas)
 Muitas e curtas ʻrajadasʼ de uso de CPU

I/O I/O

CPU CPU

tempo tempo

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 Quando a posse da CPU é atribuída a outro processo, o sistema
deve salvar o estado do processo antigo e carregar o estado do
processo novo
 O tempo de troca de contexto é uma sobrecarga
 O sistema não realiza trabalho útil enquanto realiza o chaveamento
 O tempo depende do hardware

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 Um processo (dito Processo Pai) pode criar novos processos
(ditos Processos Filhos) via chamada de sistema
 Um processo filho, por sua vez, pode criar outros processos,
formando uma árvore de processos
 usuário pode solicitar a criação a um shell, que entende o pedido do
usuário através de uma linguagem dita de controle (textual, gráfica,
por eventos)
 Compartilhamento de Recursos (memória, arquivos, dispositivos
de E/S)
 Pai e filho compartilham todos os recursos
 Filho compartilha um subconjunto dos recursos do pai
 Pai e filho não compartilham recursos
 Execução
 Pai e filho executam concorrentemente
 Pai espera até o término do filho

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 Espaço de endereçamento do novo processo
 Processo ﬁlho é uma cópia do processo pai
 Processo ﬁlho tem um programa carregado nele
 Exemplo de chamadas de sistema do UNIX
 fork(): cria um novo processo
 exec(): usado depois de um fork() para substituir o espaço de
memória do processo por um novo programa
main() {
int pid;
pid = fork();
if (pid < 0) {
/* fork failure */
} else if (pid > 0) {
/* parent code */
} else {
/* child code */
}

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
int pid;
/* fork another process */
pid = fork();
if (pid < 0) { /* error occurred */
fprintf(stderr, "Fork Failed");
exit(-1);
}
else if (pid == 0) { /* child process */
execlp("/bin/ls","ls",NULL);
}
else { /* parent process */
/* parent will wait for the child
to complete */
wait(NULL);
printf("Child Complete");
exit(0);
}
} 19

20

 Processo executa sua última instrução e pede ao SO para
terminá-lo (exit)
 Dados de saída do filho para o pai (via wait)
 exit(): todos os recursos do processo são liberados pelo SO
 Um processo pai pode terminar a execução de um processo filho
via chamada de sistema
 Filho excedeu os recursos alocados
 A tarefa atribuída ao filho não é mais necessária
 Se o pai está terminando
 Alguns sistemas operacionais não permitem que o filho continue
se o pai terminou
– Todos os filhos terminam – terminação em cascata

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 Uma thread (ou lightweight process, isto é, um processo leve) é
a unidade básica de utilização da CPU. Ela consiste de:
 Contador de programa (PC)
 Conjunto de registradores
 Espaço de pilha
 Uma thread compartilha com suas threads parceiras suas:
 Seção de código
 Seção de dados
 Recursos do sistema operacional
Coletivamente conhecidas como uma tarefa (processo).
 Um processo tradicional (ou heavyweight process) é igual a uma
tarefa com uma única thread
 As threads operam como processos: estado/criam outras
threads, etc

22

 Em um processo multithread, enquanto uma thread servidora
está bloqueada e esperando, uma segunda thread do mesmo
processo pode executar.
 A cooperação de múltiplas threads de um mesmo processo
confere a ele melhor desempenho (redução do tempo de troca de
contexto).
 Aplicações que requerem o compartilhamento de um buffer
comum (i.e., produtor-consumidor) se beneﬁciam da utilização de
threads.
 Threads provêem um mecanismo que permite a processos
seqüenciais fazerem chamadas de sistema bloqueantes
enquanto também alcançam paralelismo.

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 Threads podem ser:
 Suportadas pelo Kernel (Mach, OS/2, WinXP/200, Linux 2.6).
 Nível de usuário, suportadas acima do kernel, via uma biblioteca de
funções (Project Andrew da CMU, POSIX (Linux 2.4), Java, Win32).
 Abordagem híbrida, que implementa ambas (Solaris 2).

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