Sistemas Operativos I

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1 Processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira Fevereiro de 2006 Processo Fluxo de actividade autónomo que executa um conjunto de acções que são determinadas por um programa Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 2 1

2 Conceito de Processo Pode ser definido como: Uma instância de um programa em execução No entanto um programa pode ser constituído por n processos Unidade de trabalho de um sistema operativo multi-processo Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 3 Processo Portanto, um processo contém: Código executável Dados (variáveis globais) Estado do Processador (registos, stack, program counter) Ficheiros abertos Tempo de UCP consumido Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 4 2

3 O Sistema Operativo Um SO multi-tarefa deve: Alternar a execução de processos de forma a maximizar a utilização da UCP Fornecer tempo de resposta razoável Alocar recursos a processos Suportar a criação de processos pelo utilizador Suportar a comunicação entre processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 5 Criar Processos O que faz o SO para criar processos: Constrói estruturas de dados Aloca espaço de endereçamento Por ex.: Quando o utilizador abre uma sessão de shell Quando gerado por outro processo Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 6 3

4 Terminar Processos Algumas razões para terminar um processo: Tempo excedido Falta de memória Uso de instrução privilegiada Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 7 Modelo Simples despacho entra ready running sai pausa (a) Diagrama de transição de estado entra fila despacho UCP sai pausa (b) Possível implementação Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 8 4

5 Problemas com o Modelo Simples Um processo que não está em execução estará sempre pronto a executar? Não Pode estar bloqueado, por ex. à espera de uma operação de I/O Pelo que o escalonador não pode escalonar qualquer um dos processos que se encontra na fila de espera Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 9 Modelo Mais Elaborado despacho admissão libertado new ready running terminated evento ocorre interrompido espera evento waiting (a) Diagrama de transição de estado Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 10 5

6 Modelo Mais Elaborado admissão fila dos prontos despacho UCP sai interrompido ocorre evento 1 fila evento 1 espera evento 1 ocorre evento 2 fila evento 2 espera evento 2 (a) Possível implementação Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 11 Primitivas de Despacho Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 12 6

7 Primitivas de Despacho New O processo está a ser criado Ready O processo está pronto para ser executado Running O código referente a um processo está a ser executado Sistemas multi-processador podem executar vários processo em paralelo, um em cada processador Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 13 Primitivas de Despacho Waiting O processo está à espera que um evento específico ocorra (por ex. operação de I/O ou recepção de um sinal) Terminated Nota: O processo finalizou a sua execução Em máquinas com apenas uma UCP só um processo pode estar no estado running Pode haver vários processos no estado ready e no estado waiting Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 14 7

8 Processos Nota: Os estados definidos atrás apenas representam os casos mais habituais num SO A implementação do modelo de processo pelo SO pode necessitar de outros estados, como por ex.: Em LINUX é definido o estado de Zombie para os processo que já terminaram mas cujos recursos ainda não foram totalmente libertados Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 15 Comutação de Processos Para maximizar a UCP há que ter sempre um processo em execução Isto implica: Troca de processos em execução A operação que permite retirar um processo em execução e substitui-lo por outro, implica saber: Onde o processo está localizado Os atributos do processo Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 16 8

9 Comutação de Processos Como é representado um processo? Imagem do processo: Programa Dados Pilhas(s) Atributos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 17 Representação do Processo Cada processo é representado perante o SO por uma estrutura contendo a sua informação, o Process Control Block (PCB) O PCB é o conjunto de atributos do processo e pode ser dividido em três partes: Identificação do processo Informação de estado do processador Informação de controle do processo Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 18 9

10 Identificação do Processo Composta por identificadores numéricos que incluem: Identificador do processo (PID) Identificador do processo que o criou Identificador do utilizador Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 19 Informação de Estado do Processador Contida nos registos do processador: Registos visíveis pelo utilizador Registos de controle de estado Apontadores de pilha Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 20 10

11 Informação de controle do processo (1) Estado e escalonamento, de acordo com a máquina de estados definida anteriormente, que inclui: Estado do processo (por ex. ready) Prioridade Suporte ao escalonamento (por ex. há quanto tempo está à espera) Evento (por ex. identificação do evento que o processo está à espera) Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 21 Informação de controle do processo (2) Estrutura dos dados (por ex. relação pai-filho) Comunicação entre processos Privilégios (por ex. tipos de instruções que podem ser executadas) Gestão da memória Valores do registo base e limite ponteiro para a tabela de páginas Propriedade e uso de recursos (por ex. ficheiros abertos) Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 22 11

12 Process Control Block (PCB) Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 23 Exemplos Lançar Processos Uma forma de lançar processos é executar comandos numa shell Exemplo: > ls A shell cria um novo processo que executa o programa ls, espera que termine e volta a aceitar comandos Exemplo: > ls & A shell cria um novo processo que executa o programa ls e retorna imediatamente para aceitar comandos O processo é lançado em background Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 24 12

13 Exemplos Consultar Processos O comando ps mostra os processos existentes: Exemplo: > ps PID: identificador do processo TTY: terminal STAT: estado do processo -R running, S sleeping, D uninterruptible sleep TIME: tempo de processador já consumido O comando top mostra estatísticas gerais do sistema e processos com maior actividade Exemplo: > top Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 25 Exemplos Parar ou suspender Processos O comando kill permite enviar um sinal assíncrono ao processo Exemplo: > kill 143 Existem combinações de teclas que enviam sinais específicos: CTRL+C signal interrupt (sigint) CTRL\ signal quit (sigquit) CTRL+Z signal stop (sigstop) > bg coloca o processo suspenso a executar-se em segundo plano > fg coloca o processo suspenso a executar-se em primeiro plano Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 26 13

14 Exemplos Redireccionar entradas e saídas Cada processo tem os seguintes canais de comunicação: Stdin standard input entrada de dados Stdout standard output saída de dados normal Stderr standard error saída de dados de erro É possível direccionar ficheiros para estes canais: > ls > resultado.txt > telnet > script.txt É também possível direccionar a saída de um processo para a entrada de outro, através de um pipe : > ls grep lista Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 27 Sugestão de Estudo Ver de que forma é implementada a estrutura PCB em LINUX Sugestão: utilizar a Web para procurar a informação Ver o Livro Understanding the Linux kernel editado pela O Reilly Verificar quais as diferenças para aquilo que foi descrito Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 28 14

15 Comutação entre Processos A partilha do processador requer um mecanismo de comutação de processos, a que se dá o nome de comutação de contexto A comutação entre dois processos faz-se: Salvaguarda do estado do processo que perde a UCP; Restauração do estado do processo que ganha a UCP Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 29 Comutação entre Processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 30 15

16 Escalonamento Um dos objectivos da multi-programação é a maximização da utilização da UCP O escalonador tem como objectivo decidir qual o próximo processo a ser executado em função dos seus parâmetros Note-se que em sistema mono-processador apenas pode ser executado um processo de cada vez Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 31 Filas de Escalonamento As filas de escalonamento permitem ao SO saber o estado dos processos (PCBs) Existem filas para cada um dos estados, assim como filas para coordenar o acesso aos dispositivos de I/O Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 32 16

17 Filas de Escalonamento Ready queue esta fila contém os PCBs dos processos residentes em memória que estão no estado ready, isto é processos que estão prontos e à espera de serem executados Device queue lista dos PCBs dos processos à espera dum dispositivo I/O Exemplo: Disk unit 0 queue Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 33 Filas de Escalonamento Processo emite um pedido de I/O Processo cria um novo subprocesso Processos no estado de Waiting Processo removido em consequência de uma interrupção Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 34 17

18 Filas de Escalonamento Portanto, durante a sua execução de um processo várias coisas podem acontecer: o processo pode emitir um pedido I/O, e consequentemente ser colocado numa fila de I/O device O tempo que o escalonador tinha atribuído ao processo (time slice) termina e consequentemente ser colocado na fila dos ready o processo pode criar um novo processo, ficando à espera que ele termine e consequentemente ser colocado na fila dos waiting o processo pode ser removido da UCP em consequência duma interrupção, transitando para a Ready queue Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 35 Escalonadores Um processo migra entre várias filas de escalonamento durante o seu tempo de vida O SO deve seleccionar processos destas filas com base em algum método ou algoritmo Há três tipos de escalonadores: curto prazo médio prazo longo prazo Os processos podem ser caracterizados como ou: I/O-bound process despende mais tempo a fazer operações I/O do que cálculos na UCP; consequentemente, há bastantes UCP bursts de curta duração UCP-bound process despende mais tempo a fazer cálculos na UCP; consequentemente, há poucos UCP bursts de longa duração Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 36 18

19 Escalonadores Escalonador de longo-prazo (ou escalonador de processos): Selecciona os processos que devem ser levados para a fila Ready de modo a que existe uma mistura equilibrada entre processos I/O bound e UCP bound Escalonador de longo-prazo é invocado com pouca frequência (segundos, minutos) (pode ser lento) Escalonador de longo-prazo controla o grau de multiprogramação Utilizado essencialmente em sistema batch Pode estar ausente (por ex: no Linux e no Windows) Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 37 Escalonadores Escalonador de curto-prazo (ou escalonador da UCP): Selecciona que processos devem ser executados de seguida e reserva, consequentemente, a UCP Escalonador de curto-prazo é invocado com bastante frequência (milli-segundos) (ser rápido) Exemplos: Linux Windows Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 38 19

20 Escalonadores Escalonador de médio-prazo Permite remover processos da memória Mais tarde pode ser retomada a execução destes programas (Swapping) Devido a falta de memória ou para uniformizar o conjunto de processos em execução Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 39 Gestão de Processos com Funções de Sistema Um processo pode criar outros processos através de uma chamada ao sistema create_process() ou fork() O processo criador é referido como processo pai e o processo criado é o processo filho Os processos filhos podem criar outros processos, criando uma árvore de processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 40 20

21 Árvore de Processos (UNIX) Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 41 Criação de Processos Diferente hipóteses de implementação Modos de execução: Pai e filho(s) executam concorrentemente Pai espera até que o(s) filho(s) terminem Ocupação da memória O filho duplica o espaço do pai O filho carrega um novo programa Partilha de recursos: Pai e filho(s) partilham todos os recursos Filho(s) partilham um subconjunto dos recursos do pai Pai e filho(s) não partilham quaisquer recursos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 42 21

22 Criação de Processos (UNIX) A chamada ao sistema fork() cria um processo novo O pai e o filho executam concorrentemente O filho duplica o espaço de memória do pai (mas não pode aceder aos dados do pai) Pai e filho partilham alguns recursos Ficheiro abertos Objectos para comunicação inter-processos Etc. Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 43 Terminação de um Processo Terminação normal: um processo termina quando acaba a execução da sua última instrução, e pede ao SO para eliminá-lo via a chamada ao sistema exit().nesta altura: O processo devolve eventualmente dados ao seu progenitor através da evocação da função wait() O SO liberta todos os recursos utilizados pelo processo (filho) Terminação abrupta: o pai pode terminar a execução dos processos filhos através da chamada ao sistema abort() Filho excedeu os recursos que lhe foram reservados A tarefa atribuída ao filho não é mais necessária O pai está a terminar o que obriga os filhos a terminar Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 44 22

23 Processo Cooperativos Os processos podem ser classificados como: Independentes: não afecta nem é afectado pela execução de outros processos Cooperativos: interagem com outros processos de modo a executar uma tarefa, pelo que afectam e podem afectar outros processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 45 Processo Cooperativos Razões para a cooperação Partilha de informação De modo a requerer serviços a outros processos Performance O programa é partido em vários processos executadas em paralelo (vários processadores) Modularidade Separar o programa em módulos diferentes. Por ex. separar a interface gráfica das rotinas do programa Conveniência Por ex. de modo a que seja possível realizar várias tarefas em simultâneo Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 46 23

24 Paradigma Produtor/Consumidor O processo produtor produz informação O processo consumidor consome essa informação A comunicação entre os processo pode ser feita através de: Unbounded-buffer: o buffer utilizado para a troca de dados não têm qualquer limite de tamanho Bounded-buffer: o buffer utilizado para a troca de dados têm um tamanho limitado Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 47 Paradigma Produtor/Consumidor Solução com bounded-buffer Dados em memória partilhada: #define BUFFER_SIZE 10 Typedef struct {... } item; item buffer[buffer_size]; int in = 0; //pos. de escrita int out = 0; //pos. de leitura Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 48 24

25 Paradigma Produtor/Consumidor Produtor item nextproduced; Próximo item a ser produzido while (1) { Resto inteiro da divisão while (((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out) ; /* do nothing */ buffer[in] = nextproduced; in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; } Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 49 Paradigma Produtor/Consumidor Consumidor item nextconsumed; Próximo item a ser consumido while (1) { Se in==out significa que não while (in == out) existem elementos no buffer ; /* do nothing */ nextconsumed = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; } Solução pouco eficiente dado que o consumidor fica em espera activa!!! Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 50 25

26 Comunicação entre Processos Através de mensagens Permite a comunicação entre processos através das primitivas de mensagens: send(): envia mensagem receive(): recebe mensagem Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 51 Comunicação entre Processos Directa Os processos têm que explicitamente indicar o destino ou a fonte send(p, msg), p processo de destino receive(q, msg), q processo fonte Propriedades A ligação entre os pares é estabelecida automaticamente A ligação está associada apenas a dois processos A ligação pode ser unidireccional ou bidireccional Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 52 26

27 Comunicação entre Processos Indirecta As mensagens são enviadas para caixas de correio send(mailboxa, msg), coloca uma mensagem na caixa de correio A receive(mailboxa, msg), lê uma mensagem na caixa de correio A Propriedades Não existe ligação entre processos, apenas ligação à caixa A caixa de correio pode estar associada a mais do que 1 processo A caixa de correio pode ser unidireccional ou bidireccional Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 53 Sincronização As primitivas de send e receive também podem servir para sincronizar dois processos, i.e. um processo pode ficar à espera que exista uma mensagem na caixa do correio As primitivas podem ser bloqueantes (blocking) ou não bloqueantes (nonblocking) As primitivas bloqueantes são também classificadas como síncronas As primitivas não bloqueantes são também classificadas como assíncronas Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 54 27

28 Buffering Fila de mensagens associadas a uma ligação; é implementada numa das três formas: Capacidade nula 0 mensagens. O emissor tem de esperar pelo receptor (rendezvous) Capacidade limitada comprimento finito de n mensagens. O emissor tem de esperar se a ligação está saturada Capacidade ilimitada comprimento infinito. O emissor nunca espera Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 55 Comunicação entre Máquinas Diferentes Mecanismos (alguns exemplos) Sockets Remote Procedure Calls.Net Corba COM DDE Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 56 28

29 Processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira Fevereiro de 2006 Gestão de Processo Existem comandos para: Lançar novos processos Consultar processos Parar ou suspender processos Redireccionar entradas e saídas de processos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 58 29

30 Process Control Block Estado do processo De acordo com a máquina de estados definida anteriormente Program Counter Indica o endereço da próxima instrução que irá ser executado pelo processo Registos da UCP O número e tipo dos registos depende da UCP (por ex: acumuladores, stack pointers, flags...) Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 59 Process Control Block Informação de escalonamento Prioridade Apontadores para as filas de escalonamento Outros parâmetros Informação sobre a memória Áreas de memória utilizáveis pelo processo Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 60 30

31 Process Control Block Informação de monitorização Tempo de UCP gasto Limites para o processo Número do processo Informação de I/O Lista de dispositivos de I/O atribuídos ao processo Lista de ficheiros abertos Maria João Viamonte / Luis Lino Ferreira 61 31

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