Infra-Estrutura de Software. Sistemas Operacionais Revisão

Transcrição

1 Infra-Estrutura de Software Sistemas Operacionais Revisão

2 Sistema Computacional em Camadas Não pode executar instruções que afetam o controle da máquina ou fazem E/S GUI ou shell Acesso completo a todo o hardware e pode executar qualquer instrução que a máquina seja capaz de executar Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved.

3 Sistema Operacional como uma Máquina Estendida Sistemas operacionais tornam o hardware pouco atraente em abstrações mais interessantes Processos" Memória Virtual" Arquivos" Processador " Memória" Dispositivos E/S"

4 Sistema Operacional como um Gerenciador de Recursos Gerencia e protege memória, dispositivos de E/S e outros recursos (hardware) Permite o compartilhamento (multiplexação) de recursos no tempo (time-sharing) Ex.: múltiplos programas compartilham o processador (executam) ao mesmo tempo no espaço Ex.: um sistema de arquivos (parte do SO) permite que dados de diferentes usuários/arquivos compartilhem o espaço em disco

5 Camadas em Linux Kernel (núcleo) 5

6 Estrutura de Sistemas Operacionais: Máquina Virtual (Virtualização) VMM opera na interface de hardware, fornecendo uma interface idêntica para os SOs acima

7 Processo Estados Criar Pronto desbloquear executar suspender (tempo) Bloqueado Rodando bloquear (I/O) Terminar Contexto ID do Processo Estado Prioridade Program Counter Ponteiros da Memória Contexto (outros regs.) I/O Status Informações gerais tempo de CPU limites, usuário, etc.

8 Conceito: Multiprogramação

9 Escalonamento de processos Quando um ou mais processos estão prontos para serem executados, o sistema operacional deve decidir qual deles vai ser executado primeiro A parte do sistema operacional responsável por essa decisão é chamada escalonador, e o algoritmo usado para tal é chamado de algoritmo de escalonamento Para que um processo não execute tempo demais, praticamente todos os computadores possuem um mecanismo de relógio (clock) que causa uma interrupção, periodicamente

10 Outros Conceitos Interrupção Por hardware Algum dispositivo externo à CPU (ex. teclado) Relógio (para suspender um processo) Por software (trap) Execução de intrução de programa (ex. READ) Situações em que o programa não teria como prosseguir (ex. overflow em operações aritméticas) Chamadas ao sistema formam a interface entre o SO e os programas de usuário Página: parte de um programa capaz de caber na memória Memória virtual: espaço de armazenamento de páginas em disco

11 Threads: Motivação Problemas: Programas que precisam de mais poder computacional Dificuldade de implementação de CPUs mais rápidas Solução: Construção de computadores capazes de executar várias tarefas simultaneamente

12 Problemas com Concorrência Não-determinismo x = 1 x = 2 Qual o valor de x após a sua execução? Dependência de Velocidade [[ f(); x = 1 ]] [[ g(); x = 2 ]] O valor final de x depende de qual das funções, f() e g(), terminar primeiro Starvation Processo de baixa prioridade precisa de um recurso que nunca é fornecido a ele... Hermano P. Moura

13 Problemas com Concorrência Deadlock (cont.) dois processos bloqueiam a sua execução pois um precisa de um recurso bloqueado pelo outro processo Conceitos: starvation e deadlock Hermano P. Moura

14 Condições de Disputa/Corrida Dois processos querem ter acesso simultaneamente à memória compartilhada

15 Regiões Críticas Condições para prover exclusão mútua: Nunca dois processos simultaneamente em uma região crítica Não se pode considerar velocidades ou números de CPUs Nenhum processo executando fora de sua região crítica pode bloquear outros processos Nenhum processo deve esperar eternamente para entrar em sua região crítica

16 Semáforo Semáforo é uma variável que tem como função o controle de acesso a recursos compartilhados O valor de um semáforo indica quantos processos (ou threads) podem ter acesso a um recurso compartilhado Para se ter exclusão mútua, só um processo executa por vez Principais operações: inicialização: inteiro indicando a quantidade de processos que podem acessar um determinado recurso (exclusão mútua = 1) wait ou down ou P: decrementa o valor do semáforo Se valor for zerado, o processo é posto para dormir signal ou up ou V: se o semáforo estiver zerado e existir algum processo adormecido, um processo será acordado Caso contrário, o valor do semáforo é incrementado

17 Monitores Exemplo de um monitor

18 Gerência de Processos Escalonamento Terminação Manutenção Criação 18

19 Comportamentos de Processos Surtos de uso da CPU alternam-se com períodos de espera por E/S a) um processo orientado à CPU (CPU-bound) b) um processo orientado à E/S (I/O-bound)

20 Filas de Escalonamento Short-term scheduling Process request Longterm queue Shortterm queue CPU FIM Interrupt of process Interrupt from I/O High-level scheduling Interrupt Handler I/O I/O I/O I/O queue I/O queue I/O queue I/O scheduling

21 Categorias de Algoritmos de Escalonamento Em lote (batch) Interativo Tempo-real

22 Características de Escalonamento Justiça (fairness) Todos os processos têm chances iguais de uso dos processador Eficiência Taxa de ocupação do processador ao longo do tempo Tempo de Resposta Tempo entre a ocorrência de um evento e o termino da ação correspondente Turnaround (tempo de retorno) Tempo de resposta para usuários em batch Minimizar o tempo que usuários batch devem esperar pelo resultado Throughput (vazão) No. de jobs (processos) executados por unidade de tempo

23 Problema das trocas de processos Mudar de um processo para outro requer um certo tempo para a administração salvar e carregar registradores e mapas de memória, atualizar tabelas e listas do SO, etc Isto se chama troca de contexto Ajustar um quantum muito pequeno causa muitas trocas de contexto e diminui a eficiência da CPU,... mas ajustá-lo para um valor muito alto causa um tempo de resposta inaceitável para pequenas tarefas interativas

24 Escalonamento em Sistemas Interativos Um algoritmo de escalonamento com quatro classes de prioridade

25 Escalonamento em Linux 3 categorias: - Real-time FIFO (nãopreemptivo) - Real-time round-robin - Timesharing Quantum decrescente Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved

26 Gerência de Memória 26

27 Hierarquia de Memória Smaller," faster," and " costlier" (per byte)" storage " devices" O Gerenciador de memória trata essa hierarquia L2:" L0:" Registers" L1:" On-chip L1" cache (SRAM)" Off-chip L2" cache (SRAM)" CPU registers hold words retrieved from cache memory." L1 cache holds cache lines retrieved from the L2 cache." L2 cache holds cache lines retrieved from memory." Larger, " slower, " and " cheaper " (per byte)" storage" devices" L5:" L4:" L3:" Main memory" (DRAM)" Local secondary storage" (local disks)" Remote secondary storage" (distributed file systems, Web servers)" Main memory holds disk " blocks retrieved from local " disks." Local disks hold files retrieved from disks on remote network servers."

28 Ocupação de espaço em memória processo: programa, dados, pilha a) Alocação de espaço para uma área de dados em expansão b) Alocação de espaço para uma pilha e uma área de dados, ambos em expansão

29 Gerenciamento de Memória com Mapas de Bits

30 Memória Virtual Paginação (1) Localização e função da MMU (Memory Management Unit): nos dias de hoje é comum se localizar no chip da CPU

31 Entrada típica de uma tabela de páginas

32 Acelerando a Paginação 1. O mapeamento de endereço virtual para endereço físico deve ser rápido 2. Se o espaço de endereçamento virtual for grande, a tabela de páginas será grande

33 Memória Associativa ou TLB (Translation Lookaside Buffers) Tabela das traduções de endereços mais recentes Funciona como uma cache para tabelas de página

34 Tabelas de Páginas Multi-Níveis Para minimizar o problema de continuamente armazenar tabelas de páginas muito grandes na memória a) Endereço de 32 bits com 2 campos (Page Table - PT1, PT2) para endereçamento de tabelas de páginas b) Tabelas de páginas com 2 níveis

35 Substituição de Páginas Falta de página (page-fault) na memória: qual página deve ser removida? alocação de espaço para a página a ser trazida para a memória A página modificada deve primeiro ser salva se não tiver sido modificada é apenas sobreposta Melhor não escolher uma página que está sendo muito usada provavelmente precisará ser trazida de volta logo

36 WSClock

37 Algoritmo de Substituição de Páginas em Linux Page Frame Reclaiming Algorithm (PFRA) Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 e, (c) 2008 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved

38 Anomalia de Belady FIFO com 3 molduras de página FIFO com 4 molduras de página P mostra quais referências de página causaram faltas de página Esperado: quanto mais molduras de página a memória possuir, menos faltas de página o programa terá." Anomalia: neste exemplo, o algoritmo de substituição FIFO tem mais faltas de página (10P) para mais molduras (4)..."

39 Controle de Carga Mesmo com um bom projeto, o sistema ainda pode sofrer paginação excessiva (thrashing) Quando alguns processos precisam de mais memória mas nenhum processo precisa de menos (ou seja, nenhum pode ceder páginas) Solução: Reduzir o número de processos que competem pela memória levar alguns deles para disco (swap) e liberar a memória a eles alocada reconsiderar grau de multiprogramação

40 Tamanho de Página Tamanho de página pequeno Vantagens menos fragmentação interna menos programa não usado na memória Desvantagens programas precisam de mais páginas, tabelas de página maiores

41 Segmentação Permite que cada tabela cresça ou encolha, independentemente

42 Gerência de memória: conclusões No projeto de sistemas de paginação, a escolha de um algoritmo não é suficiente Outras considerações: Política de alocação Tamanho de página Segmentação ajuda a lidar com estruturas de dados que mudam de tamanho durante a execução simplifica o compartilhamento permite proteção diferente para segmentos diferentes Segmentação e paginação podem ser combinados para fornecer uma memória virtual de duas dimensões

43 Sistemas de Arquivos Arquivos Diretórios Implementação do sistema de arquivos Gerenciamento de espaço em disco

44 Implementação do Sistema de Arquivos Master Boot Record: Registro Principal do Boot, usado para iniciar o computador Principais parâmetros do sistema de arquivo ex. tipo do sistema de arquivos, número de blocos do sistema Estrutura de dados com informações sobre um arquivo, sendo um i-node por arquivo Um possível layout de sistema de arquivo

45 Implementação de Arquivos (3) Um exemplo de i-node

46 Gerenciamento do Espaço em Disco Considerações relevantes: Tamanho do bloco: eficiência Monitoramento de blocos livres (ex. mapas de bits) Cotas de usuários

47 Gerência de E/S Lida com a diversidade de dispositivos, como visto na última aula 1 o. EE: sexta-feira, 30/04, 8h Assuntos: Conceitos Gerenciamento de processos Gerenciamento de memória Sistema de arquivos Entrada/Saída Material Transparências: Plano de Aulas Assuntos correspondentes no livro Sistemas Operacionais Modernos 2ª Edição. A. Tanenbaum, 2003