Arquitetura de Computadores Sistemas Operacionais II

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1 Definição de Processo Arquitetura de Computadores Sistemas Operacionais II Processo é o mesmo de Programa? Programa Estrutura estática Instruções + Dados Processo Entidade Ativa Instância de um Programa em execução. Processos = Programa + Identificador + Entrada + Saída + Estado Dois Processos podem executar instâncias diferentes do mesmo Programa. Estrutura de Processo na Memória Definição de Processo Processo é então um programa em execução! O SO trata com processos e não com programas. Tipos de Processos Do usuário Do SO, deamons Multiprocessos Necessidade de mudança de contexto entre processos Ciclo de Vida de Processos Como são programas em execução, eles têm começo, meio e fim. Início (criação) Executando Término 1

2 Criação de Processo Momento do início da sua execução Associar recursos ao processo Identificador único (PID) caracterizado por um número inteiro Associar com um programa. Registrar o processo no SO (tabela de Processos) Essa tabela contém todos os dados necessários para se gerência um processos Exemplo de criação fork( ); (unix) CreateProcess ( ); windows32 Criação de Processo Ao se iniciar o computador, o SO cria vários processo. Em unix, ao se iniciar uma seção, o SO cria o processo init (PID=1) Processo em Execução Quando em execução, há basicamente dois modos de operação: Ciclo de processador quando está utilizando a cpu Ciclo de E/S quando está esperando por algum dado de E/S Processo em Execução Característica de Processos CPU-Bound Ciclo de CPU >> Ciclo de E/S Aplicações científicas. I/O-Bound Ciclo de E/S >> Ciclo de CPU Acesso a banco de dados. Processos mistos Término de Processo Final de Execução Normal Por erro Overflow, divisão por zero, falta de memória Necessidade de liberar os recursos alocados ao processo. Como matar processos Por outro processo Comando kill no Unix Log-off do usuário Relacionamento entre Processos Processos independentes Não há nenhum vínculo entre eles. Não compartilham arquivo, dados, etc. Grupo de Processos Há alguma relacionamento. Filiação Compartilhamento de recursos Dependência 2

3 Hierarquia entre Processos Por exemplo, no Unix cria-se um processo via a primitiva fork(); O criador é o Pai O processo criado é o Filho Hierarquia entre Processos Árvore de processos típica do Solares Pai fork() Filho Hierarquia entre Processos O que ocorre quando um processo morre? A árvore de processos é alterada? É destruída toda a árvore? O processo Avó herda os netos? E se o Avó já estiver morto? Como gerenciar a árvore de processos? Hierarquia entre Processos O que ocorre quando um processo morre? A árvore de processos é alterada? É destruída toda a árvore? O processo Avó herda os netos? E se o Avó já estiver morto? Como gerenciar a árvore de processos? Estados de um Processo Estados de um Processo Após ser criado, o processo necessita entrar em ciclo de processador. Mas, se o processador já estiver ocupado com outro processo? Se um processo necessitar fazer uma operação de E/S, ele ainda vai ficar ocupando a CPU? Um processo pode ficar ocupando a CPU indefinidamente? Como modelar essas questões? 3

4 Estados de um Processo Quem controla a execução dos processos? No nível mais baixo do SO estão a manipulação de interrupção e o mecanismo de escalonamento de processos Filas Associadas ao Estados Fila de Prontos Fila de Bloqueados por cada dispositivo Mecanismo de Escalonamento de Processos Tabela de Processos Comunicação entre Processos Processos executando executando concorrentemente no sistema podem ser: Independentes Cooperativos Motivos para se prover ambiente de cooperação: Compartilhamento de informação. Agilidade na computação Modularidade Conveniência Comunicação entre Processos Memória Compartilhada Troca de Mensagens Pipes e Sockets 4

5 Problema do Produtor / Consumidor Paradigma para processos cooperativos. O produtor produz informação que é consumida pelo processo consumidor. Problema: sincronização Duas possíveis soluções: Buffer ilimitado - O produtor produz e coloca os valores em um buffer infinito. Buffer limitado O produtor produz ate o buffer encher enquanto o consumidor consome ate o buffer secar. Troca de Menssagem Processos se comunicam entre si sem utilizar compartilhamento de variáveis. Existem duas operações básicas quando se utiliza essa abordagem: send(message) receive(message) Se um processo P e um processo Q desejam se comunicar, eles necessitam: Estabelecer um link de comunicação entre eles. Trocar mensagens via send/receive. O link de comunicação pode ser : fisicamente (memória compartilhada, barramento) logicamente (propriedades lógicas) Comunicação Direta Processos devem se nomear um ao outro explicitamente: send (P, message) envia mensagem para P receive(q, message) recebe mensagem de Q Propriedades de um link de comunicação: Links são estabelecidos automaticamente Um link é associado com exatamente um único par de processos. Entre cada par existe exatamente um link. O link pode ser unidirecional, mas normalmente é bidirecional. Comunicação Indireta Mensagens são direcionadas e recebidas de mailboxes (também chamados de portas) Cada mailbox tem um único id. Processos podem se comunicar apenas se eles compartilharem um mailbox. Propriedades de um link de comunicação: Link estabelecido somente se processos compartilharem um mailbox comum. Um link pode ser associado com muitos processos. Cada par de processos pode compartilhar vários links de comunicação. Link pode ser unidirectional ou bidirectional. Comunicação Indireta Operações: Criar novo mailbox. Enviar e receber mensagens através de mailbox. Destruir um mailbox. Primitivas são definidas como: send(a, message) envia mensagem para o mailbox A receive(a, message) recebe mensagem do mailbox A Comunicação Indireta Compartilhamento de Mailbox P 1, P 2, e P 3 compartilham mailbox A P 1, envia; P 2 e P 3 recebe Quem pega a mensagem? Solução: Permitir que um link seja associado a 2 processos. Permitir que somente um processo execute operação receive. Permitir que o sistema selecione arbitrariamente o receptor. O remetente é notificado sobre quem é o receptor. 5

6 Sincronização Troca de mensagem pode ser ou bloqueante ou não bloqueante. Bloqueante siguinifica sincronismo Send bloqueante o remetente fica bloqueado até a mensagem ser recebida. Receive bloqueante o receptor fica bloqueado até a mensagem ficar disponível. Não bloqueante siguinifica assíncrono: Send não bloqueante o remetente não fica bloqueado até a mensagem ser recebida. Receive não bloqueante o receptor recebe um mensagem válida ou nula. Buffering Fila de mensagens é anexada ao link. Pode ser implementada de 3 formas: 1.Capacidade zero Emissor deve esperar pelo receptor. 2. Capacidade limitada Remetente deve esperar se a capacidade do buffer tiver sido alcançada. 3. Capacidade Ilimitada Remetente nunca espera. Troca de Mensagem no Windows XP Comunicação Cliente-Servidor Sockets Remote Procedure Calls Remote Method Invocation (Java) Sockets Sockets Um socket é definido como uma extremidade para comunicação. É identificado pela concatenação de endereço IP e porta. O socket :1625 refere-se à porta 1625 no host Um par de processos se comunicando por uma rede emprega um par de sockets (Um para cada processo). 6

7 Processos com Fluxos Simples Processos com Múltiplos Fluxos Processos com Múltiplos Fluxos Thread Utilizar vários fluxos (threads) num mesmo processo. Manter a abstração de Processo Diminuir overhead de gerência e mudança de contexto Thread Thread no Nível do Usuário Utilizar vários fluxos (threads) num mesmo processo. Aliviar a carga de criação, gerência e mudança de contexto. Conceito de Thread Pilha + PC + Registradores de uso geral Abstração similar a Processos Unidade de execução passa ser uma função Comunicação via variáveis globais 7

8 Thread no Nível do Usuário Vantagens Criação e gerência mais leve, pois não há a necessidade de se acessar o núcleo. O SO cuida dos Processos e a Biblioteca das Threads Possibilita multithreading em SO sem este suporte Desvantagens Uma Thread pode bloquea todo o seu Processo. Não explora paralelismo em máquinas com vários processadores. Thread no Nível do Sistema Thread no Nível do Sistema Vantagens Permite paralelismo real. Evita possíveis bloqueios desnecessários de threads. Pois o controle é do núcleo e não da aplicação Aplicações menos dependentes de implementações específicas de bibliotecas. Desvantagens Maior overhead na criação e gerência de threads, pois essas operações requerem acesso ao núcleo do SO. Implementações Híbridas de Thread Combina características vantajosas das duas abordagens anteriores. Há dois níveis de escalonamento Nível do Usuário e Nível do Sistema. Há M threads do usuário e N threads do sistema. Geralmente M > N A dificuldade reside em como mapear as threads do usuário na threads do sistema. Implementações Híbridas de Thread Por que Utilizar Threads? Uso mais eficiente dos recursos do sistema Menores overheads de criação, destruição e mudança de contexto do que os processos. Mecanismos de comunicação mais simples. Threads em geral implementam funções. Threads compartilhas as variáveis globais do seu processo Por outro lado, há a necessidade de se ter mais cuidado ao acesso dessas variáveis, para manter a consistência da aplicação. 8

9 Threads no Linux Para se inicializar threads no linux utiliza-se as funções da api pthread, definidas em pthread.h Funções importantes: pthread_create pthread_exit pthread_join pthread_kill Threads no Linux #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pthread.h> struct valor{ int tempo; int id; }; void *espera(void *tmp){ struct valor *v = (struct valor *) tmp; sleep(v->tempo); printf( Thread %d esperou %d segundos antes de executar\n",v->id,v->tempo); return (NULL); } Threads no Linux int main(){ pthread_t linhas[10]; int execute,i; struct valor *v; srand(time(null)); for (i=0;i<10;i++){ v = (struct valor *) malloc(sizeof(struct valor *)); v->tempo = (rand()%10)+2; v->id = i; printf("criei a thread <%d> com tempo <%d>\n",i,v->tempo); execute = pthread_create(&linhas[i],null,espera,(void *)v); } //pthread_exit(null); for (i=0;i<10;i++){ //pthread_kill(linhas[i],sigterm); pthread_join(linhas[i],null); } exit(0); } 9

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