Arquitetura de Sistemas Operacionais

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1 Arquitetura de Sistemas Operacionais Francis Berenger Machado / Luiz Paulo Maia Processo Profº Antonio Carlos dos S. Souza

2 Estrutura do Processo Contexto de Software Contexto de Hardware Programa Espaço de Endereçamento

3 Contexto de Hardware o Armazena o conteúdo dos registradores de uso gerais e específicos da CPU PC, IR, SP, Status Register o Conteúdo destes registradores é salvo durante a troca de contexto (troca de processos) para posterior recuperação

4 Mudança de Contexto Sistema Operacional Processo A Processo B executando Salva registradores do Processo A Carrega registradores do Processo B executando Salva registradores do Processo B Carrega registradores do Processo A executando

5 Contexto de Software o Especifica características e limites dos recursos alocados ao processo No. Máximo de arquivos abertos, prioridade de execução, tamanho de buffer de E/S, etc o Maior parte das informações localiza-se no chamado arquivo de contas, de uso do administrador do SO o Contexto de Software composto por 3 grupos: Identificação Quotas Privilégio

6 Contexto de Software o Identificação única para cada processo e usuário Process Identification (PID) User Identification (UID) o Quotas limites de cada recurso p/uso do processo Nmáx. de arquivos abertos, tamanho máx. de alocação de memória, Nmáx de operações de E/S, buffer máx p/ E/S, Nmáx de subprocessos, etc o Privilégios ações permitidas ao processo Dividem-se em privilégios que afetam o próprio processo, afetam demais processos e afetam o próprio SO (conta root)

7 Características da Estrutura de um Processo owner (UID) nome PID registradores gerais prioridade de execução registrador PC data/ hora de criação Contexto de Software Contexto de Hardware tempo de processador registrador SP quotas privilégios Programa Espaço de Endereçamento registrador de status endereços de memória principal alocados

8 Bloco de Controle do Processo (PCB) o Cada processo é implementado no SO através do Process Control Block (PCB) o Cada PCB mantém todas as informações de contexto do respectivo processo o Todos os PCBs residem em área exclusiva da MP Limitação desta área é parâmetro do SO, assim como o Nmáx de processos o Gerência de processos realizada exclusivamente através de System Calls Criação, alteração, eliminação, suspensão, sincronização, etc

9 Bloco de Controle do Processo (PCB) ponteiros Estado do processo Nome do processo Prioridade do processo Registradores Limites de memória Lista de arquivos abertos

10 Estados do Processo o Estado de execução Processo que está sendo executado pela CPU o Estado de pronto (ready) Processo aguardando para ser executado Geralmente organizados em listas encadeadas Escalonamento da fila (lista) a critério do SO o Estado de espera (wait ou blocked) Processo que aguarda algum evento externo ou liberação de recurso (ex: operação de E/S, relógio) Organizados em listas encadeadas

11 Lista de PCBs nos Estados de Pronto e Espera Lista de processos em estado de pronto PCB# 5... PCB# 1 Lista de processos em estado de espera PCB# 9 PCB# 2 PCB# 4

12 Lista de PCBs nos Estados de Pronto e Espera o Lista no estado de pronto deve ser organizada de acordo com a prioridade de execução Logo após criação de processo, SO o coloca na fila de pronto o Lista no estado de espera deve estar associada a evento ou recurso Quando o evento ocorre, todos os processos da respectiva fila de espera vão para a fila de pronto Quando o recurso é liberado, um número X de processos são colocados para a fila de pronto, X igual ao número de processos que podem acessar o recurso simultaneamente

13 Mudanças de Estado do Processo o Processos mudam de estado em função de eventos gerados por ele próprio ou pelo SO De pronto para execução De execução para espera De espera para pronto o Nunca vai direto para estado de execução De execução para pronto o Em geral, quando ocorre interrupção devido ao término da fatia de tempo alocado para o processo que estava sendo executado

14 Mudanças de Estado do Processo Estado de Execução b d a c Estado de Espera Estado de Pronto

15 Mudanças de Estado do Processo o Processos no estado de pronto ou no estado de espera podem estar residentes ou não na MP Processos não-residentes na MP ficam armazenados na memória secundária (disco) o Situação onde não há espaço suficiente na MP para todos os processos Técnica para armazenamento de processos na memória secundária e reinserção dos mesmos na memória principal chamada de swapping

16 Mudanças de Estado do Processo Estado de Execução residente não residente Estado de Espera Estado de Pronto Estado de Espera Estado de Pronto

17 Mudanças de Estado do Processo o Criação de processo se dá com adição de novo PCB e alocação dos devidos espaços de endereçamento Estado de criação (new): o SO cria novo PCB mas não coloca processo no estado de pronto por limitação no número de processos ativos o Término do processo se dá com a desalocação dos recursos associados e eliminação do respectivo PCB Estado de término (exit): o SO desaloca recursos, processo fica inativo, mas PCB ainda não eliminado por razões de contabilização de uso

18 Mudanças de Estado do Processo Estado de Execução Estado de Término Estado de Espera Estado de Pronto Estado de Criação

19 Processos Independentes, Subprocessos e Threads o Maneiras diferentes de implementar concorrência numa mesma aplicação o Processos Independentes Maneira mais simples Não há vínculo entre processo criado e processo criador Exige criação de novo PCB e alocação própria de espaço de endereçamento

20 Processos Independentes, Subprocessos e Threads o Subprocessos Processos e subprocessos criados dentro de uma estrutura hieráquica o Processo pai e processo filho Dependência entre processos pai e filho o Término do processo pai elimina respectiva estrutura de subprocessos filhos o Subprocesso possui PCB e espaço de endereçamento próprio, mas pode compartilhar quotas com processo pai

21 Estrutura de Processos e Subprocessos Processo A Processo B Processo C Processo D Processo E

22 Processo Multithread o Criação, eliminação e comunicação entre processos independentes ou subprocessos demanda razoável consumo de recursos o Threads Compartilham mesmo contexto de software e espaço de endereçamento Reduz tempo de criação, eliminação, comunicação e troca de contexto entre processos, economizando recursos do sistema Um processo pode suportar múltiplas threads, cada qual associada a uma parte do código

23 Processo Multithread Contexto de hardware Contexto de hardware Contexto de hardware Contexto de software Thread 1 Thread 2 Espaço de endereçamento Thread 3

24 Processos Foreground e Background o Todo processo possui pelos menos um canal de entrada e um canal de saída a ele associado o Canais de entrada (input) e saída (output) podem estar associados a terminais, arquivos ou mesmo a outros processos Canal de saída de um processo pode estar associado ao canal de entrada de outro processo através de um pipe Processo em foreground possui canal de entrada em comunicação direta com usuário Processos em background não possibilitam comunicação direta com usuário

25 Processos Foreground e Background (a) Processo Foreground entrada saída terminal terminal (b) Processo Background entrada saída arquivo de entrada arquivo de saída

26 Pipe entrada do Processo A Processo A saída do Processo A entrada do Processo B Processo B saída do Processo B

27 Processos do SO o Arquitetura microkernel faz uso intensivo de processos que disponibilizam serviços para outros processos (aplicações e processos do SO) o Exemplos: Auditoria e segurança Serviços de rede Contabilização de uso de recursos Gerência de impressão Comunicação de eventos Interface de comandos de linha (shell)

28 Processos CPU-bound x I/O-bound o Processos CPU-bound ficam maior parte do tempo no estado de execução e pronto o Processos I/O-bound ficam maior parte do tempo no estado de espera E/ S E/ S UCP UCP (a) CPU-bound tempo (b) I/ O-bound tempo

29 Sinais o Mecanismo que permite notificar processos da ocorrência de eventos, possibilitando a gerência, a comunicação e a sincronização entre processos o Quando um processo identifica a chegada de um sinal, uma rotina de tratamento específica é executada o Podem ser gerados por temporizadores, onde um sinal é enviado em decorrência de um timetout o Geralmente são originados pelo hardware ou pelo SO, através de interrupções e exceções, ou ainda por outros processos

30 Sinais interrupção Sistema Operacional sinal [ctrl-c] Processo

31 Sinais o A geração propriamente dita ocorre quando o SO notifica o processo através de bits de sinalização localizados no seu PCB o Um sinal recebido fica pendente até que o processo seja escalonado para execução e possa tratá-lo Ex: sinal de término ( kill -9 <PID> ) fica pendente até que o processo a ser eliminado seja escalonado para execução o Tratamento semelhante ao das interrupções Contexto do processo é salvo e execução é desviada para rotina de tratamento do sinal (signal handler), retornando posteriormente

32 Sinais o Tratamento semelhante ao das interrupções Contexto do processo é salvo e execução é desviada para rotina de tratamento do sinal (signal handler) Após tratamento, execução retorna ao processo sinalizado Signal handler pode ser definido no próprio código do programa, podendo bloquear o sinal por um tempo ou em definitivo Sinais estão para processos assim como interrupções e exceções estão para o SO

33 Sinais, Interrupções e Exceções Processo Processo Sinais Sistema Operacional Interrupções Exceções Hardware

34 Referência

35 Referência ASO Machado/Maia complem. por Sidney Lucena (UNIRIO)

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