Sistemas-Operacionais - Gerencia de Processos

1. Sistemas
Operacionais
(Parte 2)
PROF SILVANO OLIVEIRA
prof.silvano.oliveira@gmail.com

2. Ementa da disciplina
 Estruturas de Sistemas operacionais;
 Sistemas multiprogramáveis;
 Gerência de processos;
 Gerência de memória física;
 Gerência de memória virtual;
 Gerência de sistemas de arquivos;
 Gerenciamento de dispositivos;
 Segurança e proteção;
 Introdução aos sistemas operacionais distribuídos.
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3. Bibliografia básica
 Sistemas operacionais: Projeto e
implementação. Andrew S. Tanenbaum; Albert
S. Woodhull;
 Sistemas operacionais: Conceitos e aplicações.
Abraham Sílberschatz; Peter Galvin; Greg
Gagne;
 Arquitetura de sistemas operacionais. Francis B.
Machado, Luiz Paulo Maia.
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4. Funcionalidades
 Para cumprir os objetivos de abstração e gerência, o S.O. atua em
várias frentes;
 Cada recurso possui suas particularidades, o que demanda exigências
específicas para gerenciá-los e abstraí-los;
 Principais funcionalidades implementadas por um S.O. típico:
 Gerência do processador;
 Gerência de memória;
 Gerência de dispositivos;
 Gerência de arquivos;
 Gerência de proteção;
 Interface gráfica;
 Suporte de rede.
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5. Gerência do processador 5
Sistema
operacional
Gerência do
processador
Gerência de
memória
Gerência de
dispositivos
Gerência de
arquivos
Interface
gráfica
Gerência de
proteção
Outros
suportes
Suporte de
rede

6. Gerência de processador
 Primeiros sistemas operacionais eram caracterizados por apenas
um programa sendo executado por vez;
 Computadores modernos = vários tarefas ao mesmo tempo;
 Processador é alternado entre um programa e outro
 Falsa impressão de que vários programas estão rodando ao mesmo
tempo;
 Pseudoparalelismo.
 Para que isso seja possível, é necessário um monitoramento
complexo de todas as atividades;
 Foi desenvolvido um modelo que tornou o “paralelismo” mais fácil
de manipular: modelo de PROCESSOS.
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7. Processos
 Processo é um programa em execução e que tem suas
informações mantidas pelo sistema operacional;
 Um processo é um programa em execução. É uma unidade de
trabalho dentro do sistema. Programa é uma entidade passiva,
processo é uma entidade ativa;
 Pode ser definido também como o ambiente onde o programa é
executado, e além das informações sobre a execução, possui:
 Recursos que o sistema pode utilizar;
 Espaço de endereçamento;
 Arquivos e outras Entradas/Saídas;
 Etc.
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8. Processos
O sistema operacional deve ser
capaz de:
Criar um processo;
Reservar memória para um processo;
Organizar os processos para a espera
do uso da CPU.
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9. Processos
 Os vários processos criados pelo sistema operacional
competem entre si pela atenção do processador;
 O gerenciador de processamento do sistema
operacional é responsável por estabelecer a ordem de
execução;
 Os processos podem estar em 3 estados:
 Executando;
 Pronto;
 Bloqueado.
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10. Processos
 Executando:
 Quando o processo está, de fato, sendo processado pela CPU do
computador
 Pronto:
 Quando o processo possui todas as condições necessárias para sua
execução, porém, não está de posse da CPU do computador;
 Em geral, existem vários processos nesta fase, e o sistema operacional é
responsável por selecionar o próximo processo a usar a CPU.
 Bloqueado:
 Quando o processo aguarda por algum evento externo ou por algum
recurso do sistema indisponível no momento, por exemplo: informação
de algum dispositivo de I/O, etc.
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11. Processos 11

12. Processo
 Transições
 Transição 1 – Executando para bloqueado:
 Um processo que estava utilizando o processador precisou de algum evento
externo e não pode continuar.
 Transição 2 – Bloqueado para pronto:
 O evento externo que o processo bloqueado aguardava acontece. Nesse
caso, o processo volta para a fila de pronto para usar a CPU.
 Transição 3 e 4 – Pronto para executando e Executando para pronto:
 Realizados pelo escalonador de processos, que escolhe qual o próximo
processo será executado;
 Diversas políticas e escalonadores – Exemplo: PRIORIDADE.
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13. Processos
 Analisando processos na prática no
sistema operacional:
GNU/Linux: comando nice e renice modifica
prioridade. Comando ps aux mostra
processos;
Windows: gerenciador de tarefas;
Android: Dev Tools;
Etc.
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14. Escalonador de processos
 Determina qual processo utilizará a CPU quando
estiver disponível;
 Age sempre sobre os processos em estado de
PRONTO;
 Segue uma política de escolha – Algoritmo de
escalonamento;
 Rotina é executada normalmente várias vezes
por segundo.
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15. Escalonador de processos
 Objetivos das políticas de escalonamento:
 Maximizar a utilização da CPU;
 Maximizar o throughput (vazão);
 Minimizar o turnaround (tempo para finalização do processo);
 Minimizar o tempo de espera;
 Minimizar o tempo de resposta;
 Ser justa;
 Maximizar o número de usuários interativos;
 Ser previsível;
 Minimizar e balancear o uso de recursos;
 Etc.
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16. Escalonador de processos
 Para evitar que um processo monopolize a CPU (de propósito ou
por acidente), uma interrupção por tempo é utilizada: QUANTUM
ou TIME-SLICE;
 Um processo interrompido por término do seu QUANTUM volta à fila
em estado de PRONTO;
 Um processo utiliza a CPU até:
 Voluntariamente liberá-la;
 QUANTUM expirado;
 Outro processo exija a atenção da CPU (interrupção/prioridade);
 Erro de execução.
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17. Escalonador de processos -
Prioridades
Prioridades:
Podem ser fixas durante a vida do
processo ou modificáveis;
Podem ser associadas externamente ou
de forma automatizada;
Podem ser calculadas e associadas de
forma racional ou arbitrária.
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18. Escalonador de processos -
Preempção
 Não-preemptivo
 Quando um processo não pode ser interrompido por um fator externo
quando está executando;
 Deixa a CPU ou por vontade própria ou porque terminou o trabalho;
 Windows 3.1, etc.
 Preemptivo
 Pode interromper a execução de um processo para executar um outro;
 Sistemas operacionais modernos utilizam algoritmos de escalonamento
preemptivos;
 Sistemas operacionais modernos – Windows 95+, GNU/Linux, MacOS,
etc.
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19. Escalonador de processos
 Algoritmos de escalonamento:
 FIFO;
 SJF (Short Job First);
 Round-Robin;
 SRT (Shortest Remaining Time);
 Prioridade;
 Múltiplas filas;
 Múltiplas filas com realimentação;
 Escalonamento para vários processadores;
 Escalonamento de tempo real.
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20. FIFO – First In, First Out
 Algoritmo não preemptivo (quando entra em
execução, vai até o término);
 O processo que chega primeiro (First In) é o primeiro
a ser escolhido para usar a CPU (First Out);
 Fila de processos;
 Criado originalmente para sistemas batch;
 Injusto para processos (Jobs) curtos;
 Ineficiente para sistemas de tempo compartilhado.
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21. FIFO – First In, First Out
11ms
P4
6ms
P3 9ms P2
20ms
P1
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Tempo total de execução: 46ms
20ms
29ms
35ms
46ms

22. FIFO – First In, First Out 22

23. SJF – Shortest Job First
 Não preemptivo;
 Processo com menor tempo para ser completado é
escolhido;
 Se informação sobre tempo de execução não estiver
disponível: Estimativa. Desempate pode ser feito por
FIFO.
 Algoritmo reduz o tempo de espera, com o mínimo para
um conjunto de processos;
 Problemas: grande variância no tempo de espera,
necessidade de “prever o futuro”.
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24. SJF – Shortest Job First 24

25. Round-Robin
 Definido um QUANTUM ou TIME-SLICE (geralmente de 10 a 100ms):
tempo limite para o processo usar a CPU;
 Após o tempo de QUANTUM, processo sofre PREEMPÇÃO e é
colocado na fila com o status de PRONTO;
 A fila de PRONTO é tratada como uma fila circular (FIFO – First In,
First Out);
 Escalonador seleciona primeiro processo da fila de PRONTO para
ser executado e define 1 QUANTUM de tempo para o
processamento;
 Se o tempo necessário para o processo finalizar for maior que 1
QUANTUM, então é feito o CHAVEAMENTO DE CONTEXTO (salva o
estado, vai para o status de PRONTO, seleciona novo processo).
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26. Round-Robin
 Algoritmo preemptivo;
 Tempo médio de espera alto;
 Desempenho depende diretamente do
tamanho definido para o QUANTUM:
 Se QUANTUM for muito grande, assemelha-se ao
algoritmo de escalonamento FIFO (não preemptivo);
 Se QUANTUM for muito pequeno, o overhead com o
CHAVEAMENTO DE CONTEXTO torna-se alto demais,
prejudicando o desempenho.
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27. Round-Robin 27

28. SRT – Shortest Remaining Time
 “SJF Preemptivo”;
 É escolhido o processo com menor tempo
para ser completado;
 Um processo em execução é
interrompido quando um novo processo
com menor tempo para ser completado
aparece na fila com o status de PRONTO;
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29. SRT – Shortest Remaining Time 29

30. Escalonamento por Prioridade
 Cada processo tem uma prioridade associada;
 CPU é alocada para processo de maior prioridade;
 SJF pode ser considerado um caso de escalonamento por
prioridade, onde considera-se o tempo como priorização;
 Geralmente a prioridade é representada por um número – não há
convenção em relação a quais números utilizar;
 Prioridade definida:
 Internamente ou externamente.
 Problema: Starvation – Processos de baixa prioridade podem ficar
indefinidamente em estado de PRONTO;
 Solução: aumentar progressivamente a prioridade dos processos em
estado de PRONTO aguardando a vez de usar a CPU.
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31. Escalonamento por Prioridade 31
Starvation:
Quando os responsáveis
foram desligar o IBM 7094
no MIT em 1973,
descobriram um processo
com baixa prioridade que
estava em estado de
PRONTO desde 1967 e
ainda não havia sido
processado.

32. Múltiplas filas
 Processos são previamente divididos em grupos
 Em função do tipo de processamento realizado
 Sistema;
 Interativo (foreground);
 Batch (background).
 Cada um dos grupos tem um mecanismo de escalonamento
 Interativo – Round Robin;
 Batch – FIFO;
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33. Múltiplas filas 33

34. Múltiplas filas com realimentação
 Os processos NÃO permanecem em uma mesma fila até terminar o
processamento;
 O Sistema Operacional faz um ajuste dinâmico para ajustar os
processos em função do comportamento do sistema;
 Os processos não são previamente associados às filas, mas
direcionados pelo sistema entre as diversas filas com base no seu
comportamento;
 Parâmetros para escalonamento:
 Número de filas;
 Algoritmo de escalonamento para cada fila;
 Método para mudar o processo da fila;
 Método para determinar em que fila um processo entra.
 Método mais complexo.
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35. Múltiplas filas com realimentação 35

36. Escalonamento para vários
processadores
 Escalonamento mais complexo;
 Processadores idênticos
 Compartilhamento de carga;
 Fila por processador;
 Fila única: compartilhamento de dados.
 Abordagens do algoritmo
 Processamento simétrico: Cada processador faz seu próprio
escalonamento;
 Mestre-escravo (assimétrico): Um algoritmo é executado em um
processador reservado somente para esse fim, e escalona os outros
processos em outros processadores.
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37. Escalonamento de tempo real
 Sistemas de tempo real
 Hard Real Time: Requisitos rígidos, tempo é essencial – Uma
tarefa crítica deve ser completada dentro de um tempo
GARANTIDO
 Avião, sistemas médicos, indústria, etc.
 Soft Real Time: Requisitos flexíveis – Processo crítico recebe
prioridade sobre os outros com menor importância
 Realidade aumentada, multimídia, etc.
 Sistemas de Real Time rígidos requerem processadores
dedicados.
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38. Threads
 Uma forma de um processo dividir a si mesmo;
 Threads executam “dentro” de um processo;
 Conhecidas como “Processos leves”;
 Possibilidade de associar mais de um fluxo de
execução a um processo
 Compartilhamento de recursos
 Recursos do S.O., seção de dados, seção de código.
 Comunicação entre as threads facilitada;
 Chaveamento de contexto total desnecessário.
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39. Threads
Ideia básicas Processos x Threads
Processos: programa em execução
que contém um único fluxo de
execução;
Threads: programa em execução
com múltiplos fluxos de execução.
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40. Threads 40

41. Threads
 Se um processo tem várias threads, elas compartilham
quase todos os recursos e memória;
 Cada thread tem sua própria pilha de execução e
registradores;
 Em um processo com múltiplas threads, quando uma
thread está bloqueada aguardando, uma segunda
thread no mesmo processo pode executar
 Aplicações que requerem compartilhamento de dados se
beneficiam ao usar threads.
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42. Threads
Benefícios:
Velocidade de criação das threads;
Capacidade de resposta;
Compartilhamento de recursos;
Economia de recursos;
Desempenho.
42

43. Threads
 Principais diferenças entre Processos e Threads
 Processos são geralmente independentes, enquanto threads são
subconjuntos de um processo;
 Processos carregam muito mais informações que threads, enquanto
que múltiplas threads compartilham memória e outros recursos;
 Processos tem espaço de endereçamento separado, enquanto
threads compartilham esses endereços;
 Processos interagem somente através de mecanismos de
comunicação entre processos fornecidos pelo sistema operacional;
 Troca de contexto entre threads utiliza o mesmo procedimento que nos
processos, porém é tipicamente mais rápida.
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44. Threads
 Exemplos:
Editor de texto: 1 thread “lê” o teclado, 1
thread imprime na tela, 1 thread faz a
verificação de ortografia, etc;
Google Chrome: Cada aba = 1 processo;
Mozilla Firefox: Cada aba = 1 thread;
Plug-ins: 1 processo.
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45. Comunicação entre processos
 Processos executam em “cápsulas” autônomas;
 O hardware oferece proteção de memória, ou seja, um processo
não acessa outro processo.
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46. Comunicação entre processos
 Processos frequentemente necessitam
comunicar-se/interagir;
 Essa comunicação é feira utilizando
mecanismos de IPC: Inter-Process
Communication;
 Essa comunicação é realizada através do
Sistema Operacional através de canais de
comunicação.
46

47. Comunicação entre processos 47

48. Comunicação entre processos
 Características desejáveis para comunicações
inter-processos:
 Rapidez;
 Simplicidade na utilização e implementação;
 Modelo de sincronização bem definido;
 Versatilidade;
 Funcionamento igual em ambientes distribuídos;
 SINCRONIZAÇÃO.
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49. Comunicação entre processos
 Sincronização é uma das maiores
preocupações para comunicação entre os
processos
 Deve permitir que um processo que envia uma
mensagem indique quando o dado foi transmitido;
 Deve permitir que um processo que recebe uma
mensagem saiba quando um dado está disponível;
 Deve permitir que ambos saibam o momento exato
em que podem realizar uma nova comunicação.
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50. Comunicação entre processos
 Fundamentalmente duas abordagens:
 Espaço de endereçamento cooperativo
 Memória compartilhada.
 Mecanismos do próprio Sistema Operacional para
transportar dados de um processo a outro
 Pipes;
 Sinais;
 Sockets;
 Etc.
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51. Comunicação entre processos
 Memória compartilhada:
 Um mesmo segmento (trecho) de memória encontra-se no
espaço de endereçamento dos processos que estão se
comunicando;
 O Sistema Operacional oferece chamadas permitindo a
criação de uma área de memória compartilhada, mas NÃO SE
ENVOLVE DIRETAMENTE COM A COMUNICAÇÃO E
SINCRONIZAÇÃO das mensagens;
 Quando um processo realiza uma modificação, todos os
processos que compartilham aquele segmento podem ver o
que foi mudado.
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52. Comunicação entre processos
 Memória compartilhada
 Vantagens:
 É possível acessar uma parte específica de uma estrutura de
dados, e não necessariamente a estrutura completa
(Random Access);
 A forma mais rápida para que dois processos troquem
dados.
 Desvantagens:
 Não há um mecanismo automático de sincronização.
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53. Comunicação entre processos 53

54. Comunicação entre processos
 Problemas de sincronização
 PRODUTOR e CONSUMIDOR
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55. Comunicação entre processos 55

56. Comunicação entre processos
Quais os problemas?
Condições de corrida;
Produtor mais rápido que o
consumidor;
Consumidor mais rápido que o
produtor.
Deadlock.
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57. Comunicação entre processos
Quais as soluções?
Monitores;
Semáforos.
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58. Problemas conceituais
Produtor/consumidor;
Jantar dos filósofos;
Barbeiro sonolento;
Etc.
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