Processos. Um SO executa uma multiplicidade de programas, em batch ou time-sharing, que se designam por: ÈÖÓ Ó é um programa em execução.

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1 Processos Um SO executa uma multiplicidade de programas, em batch ou time-sharing, que se designam por: ÔÖÓ Ó ou Ø Ö (processes/tasks/jobs). ÈÖÓ Ó é um programa em execução. A execução de um processo é sequencial, no sentido em que num dado instante, apenas uma instrução do processo é executada. Um processo não tem apenas associado a si, o código de um programa, inclui também: ÔÖÓ Ö Ñ¹ÓÙÒØ Ö que indica a próxima instrução a executar. Ô Ð Ü ÙÓ (stack) com valores temporários (parâmetros de funções, endereços de retorno, etc.) Ö Ó Ó com os valores das variáveis globais. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 1

2 Execução de processos Consideremos 3 processos cuja traçagem de execução, se executados um de cada vez até terminarem, se ilustra na figura: Processos A B I/O C t1 t2 t3 tempo Suponha agora (2a. figura) que os processos são executados em time-sharing: DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 2

3 Processos A B I/O C Q Q I/O Q T T T tf Q - esgotou tempo CPU tempo T - Terminou execucao I/O - espera por operacao I/O Observe que o tempo de execução, será menor quando ocorre time-sharing, i.e.: tf < (t1 + t2 + t3) DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 3

4 Estados de um Processo Um processo varia de estado durante a sua execução: ÒÓÚÓ o processo está a ser criado. Ñ Ü ÙÓ activo no CPU. Ñ Ô Ö o processo está à espera de um evento externo. ÔÖÓÒØÓ Ü ÙØ Ö o processo está à espera de vez de CPU. Ø ÖÑ Ò Ó o processo terminou a execução. Transições possíveis entre os estados de um processo: DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 4

5 novo aceite interrupt exit terminado pronto a executar em execucao I/O ou wait-event terminou escolhido pelo scheduler em espera I/O ou wait-event DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 5

6 Estruturas de controlo do SO O SO constroi e mantém tabelas com informação sobre cada entidade, processo e recurso do sistema, que gere. Memoria Perifericos Ficheiros Processos Tabelas Memoria Tabelas IO imagem do processo processo 1 Tabelas Ficheiros Tabela de Processos processo 1 processo 2 processo 3. processo n imagem do processo processo n DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 6

7 Tabelas e atributos de processos Ø Ð Ñ Ñ Ö guardam informação sobre a memória principal e secundária associada a processos, assim como atributos de protecção e informação para gerir memória virtual. Ø Ð Á»Ç permitem que o SO saiba se um dado periférico está livre ou não, qual a operação em curso num dado periférico e qual a zona de memória associada. Ø Ð ÖÓ têm informação sobre os ficheiros existentes, a sua localização na memória secundária, o seu estado corrente e outros atributos. Ø Ð ÔÖÓ Ó permitem que o SO saiba localizar os processos correntes e quais os atributos que lhe estão associados. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 7

8 Organização de um processo Associado a um processo (a sua imagem) temos: um Ô Ó Ò Ö Ñ ÒØÓ que determina a execução do processo (memória onde estão partes do código executável e dados usados pelo processo). um ÓÒØ ÜØÓ Ó ÔÖÓ Ó que define o ambiente de execução e determina o estado do processo. Estes atributos são normalmente referidos por È (Process Control Block). DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 8

9 Informação típica num PCB ÒØ Ó Ó ÔÖÓ Ó - identificador do processo (PID) - identificador do processo que criou este (processo-pai PPID) - identificador do utilizador dono do processo (UID). Ø Ó Ó ÔÖÓ Ó - program counter: próxima instrução a executar. - registos do cpu: acessíveis ao utilizador. - status info: inclui flags sobre interrupts (activos/inactivos), modo de execução (kernel/utilizador). - códigos de condição: resultados de operações lógicas e aritméticas (overflow...). - apontador para a stack. A stack é usada para guardar parâmetros quando da chamada de funções. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 9

10 PCB (continuação) Ò ÓÖÑ Ó ÓÒØÖÓÐÓ - informação de scheduling: estado do processo (a executar, pronto a executar, em espera, etc.), prioridade do processo. - privilégios do processo - info. para gestão de memória: páginas e segmentos de memória associados ao processo. - recursos associados: ficheiros abertos, etc. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 10

11 Imagem do Processo A estrutura da imagem de um processo na memória (virtual) está ilustrada na figura: DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 11

12 Identificacao do processo Info. sobre estado do processo PCB Info controlo processo pilha execucao (stack) Espaco de enderecamento (programas e dados) Espaco de enderecamento partilhado DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 12

13 Troca de contexto (processos) Sempre que o CPU comuta de um processo para outro tem de guardar o estado do processo que sai (para poder ser retomado posteriormente) e carregar o estado do processo que entra. O estado do processo é guardado no PCB do processo. A troca de contexto é um overhead, i.e. o sistema não está a fazer nada de útil enquanto processa a troca. Ilustração do que ocorre numa troca de contexto: DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 13

14 processo P0 SO processo P1 a executar interrupcao ou chamada sistema guarda estado em PCB0. idle carrega estado de PCB1 idle a executar interrupcao ou chamada sistema guarda estado em PCB1. idle carrega estado de PCB0 a executar DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 14

15 Criação de processos Um processo pode criar novos processos, processos-filho, que por sua vez podem criar novos processos. Ö ÙÖ Ó : o processo-filho é uma cópia da imagem do processo-pai e pode partilhar os recursos deste. Ü ÙÓ: - Pai e filho executam concorrentemente, ou - Pai espera que os filhos terminem. Ô Ó Ò Ö Ñ ÒØÓ: - Filho é uma cópia do pai, executa o mesmo programa, ou - Filho pode executar um programa diferente. Ñ ÍÆÁ : - ÓÖ cria um novo processo. - Ü Ú usado a seguir ao ÓÖ para substituir no espaço de memória do processo o programa a executar. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 15

16 Criação de processos em UNIX Faz-se através da função de sistema: Ô Ø ÓÖ ÚÓ µ ÓÖ retorna 0 ao processo-filho e retorna o PID do filho ao processo-pai. Caso não seja possível criar o novo processo, retorna -1. pid_filho=fork() pid_filho>0 pid_filho=0 pai filho DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 16

17 Como distinguir a execução do processo-filho da do processo-pai? Ô Ð Ó ÓÖ µµ ¼µ ß Ó¹ÔÖÓ Ó¹ Ð Ó Ð Ð ß Ó¹ÔÖÓ Ó¹Ô Ð Ó ÔÓ Ú ÐÑ ÒØ ÓÑÙÑ Diferenças entre pai e filho: diferentes PID e PPID filho não herda locks de ficheiros que pertencem ao pai. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 17

18 Exemplo do uso de ÓÖ µ ÒÐÙ < s t d i o. h> Ñ Ò Ü ÙÓ È ÒØ Ð Ó Ð Ó ÓÖ ÓÖ È ( ) : { ; : 0 : 0 ( ( ) == 0) / * f i l h o * / : 1 ( =0; <5; ++) { : 1 ÔÖ ÒØ ( Ð Ó ± Ò ³³ µ Ð Ó ¾ Ð Ô ¾µ È ¾ Ð Ð Ó Ð» Ô» Ð Ó } µ ß È ÓÖ ¼ ÔÖ ÒØ % Ò³³ È È Ð Ô : \, ) ; : 4 ( 3 ) ; } o processo-filho executa o mesmo programa que o processo-pai, mas partes diferentes! pai e filho executam concorrentemente. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 18

19 Novos processos para execução de programas Processo-filho pode executar um programa diferente daquele que o criou. As funções de sistema: ÒØ Ü Ð Ö Ô Ø Ö ÓÑ Ö Ö ºººµ ÒØ Ü ÐÔ Ö Ð Ö ÓÑ Ö Ö ºººµ ÒØ Ü Ú Ö Ô Ø Ö Ö Ú µ ÒØ Ü ÚÔ Ö Ð Ö Ö Ú µ diferem na passagem dos argumentos para o programa a executar. Estas funções permitem substituir o programa que faz a chamada por um outro programa executável. Modificam o segmento de dados e texto do processo, mas não alteram o seu contexto. Isto é, mantêm os mesmos identificadores de recursos e ficheiros abertos que o processo possuía antes da execução do Ü µ. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 19

20 Exemplo: fork() + exec() Ñ Ò ÒØ Ð ÓÁ Ø Ó Ö Ô Ø» Ò» Ð Ö Ñ Ð Ö Ö ¹Ð ( ) / / ( Programa que c r i a um processo para executar l s l ) {, ; [ ] = ; [ ] = ; [ ] = ; } ( ( Ð ÓÁ = ( ) ) == 1) { ( ) ; ( 1 ) ; } Ð ( Ð ÓÁ ==0) { } ( (,,, ) <0) { ( ) ; ( 1 ) ; } Ð ( Ð ÓÁ!= Û Ø (& Ø Ó ) ) ( Ò Ð ÒØ Ó Ð Ó Ø ÖÑ Ò Ö ) ; ÔÖ ÒØ ( 0 ) ; Ü Ø DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 20

21 Identificação do processo Os processos são identificados através de um inteiro único, atribuído na criação do processo. Identificador de um processo (PID), obtido por: Ô Ø ØÔ ÚÓ µ Identificador do processo-pai: ØÔÔ ÚÓ µ Cada processo tem um dono (owner), que tem privilégios sobre o processo. Pode ser determinado por: Ô Ø ØÙ ÚÓ µ fornece o UID efectivo que permite determinar os privilégios do processo no acesso a recursos. Ù Ø DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 21

22 Como criar uma árvore de processos? Pai Filho 1 Filho 2 Filho 3 Filho n-1 Ñ Ò µ ß ÒØ Ò ººº ÓÖ ½ Ò µ Ð ÓÁ ÓÖ µµ ¼µ Ö ÔÖ ÒØ Ø ÖÖ ÔÖÓ ±Ð µ ÓÑ Ô ±Ð µ Ò ÐÓÒ µ ØÔ µ ÐÓÒ µ ØÔÔ µµ Ð DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 22

23 Mais um exemplo sobre criação de processos: cadeia de N processos Escrever um programa que crie uma cadeia de N processos tal que o 1º processo da cadeia cria o 2º, o 2º cria o 3º, etc. Cada processo deve escrever o seu PID e o PID do processo-pai. Pai Pai Pai Filho Filho Filho DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 23

24 Mais um exemplo sobre criação de processos: cadeia de N processos Ò i s _ c h i l d (P) (P == 0) ÔÖÓ ( ) ÚÓ {, ; ; ÓÖ ( =1; <=Æ ; ++) { Ô = ØÔ ( ) ; Ò Û ÔÖÓ = ÓÖ ( ) ; ( Ð ( Ò Û ÔÖÓ ) ) ÔÖ ÒØ ( ÁÄÀÇ ± ÈÁ ± ØÈÈÁ ± Ò,, ØÔ ( ), Ô ) ; } } Ð ; Ö Ö ØÙÖÒ ; DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 24

25 Funções: Ü Ø µ e Û Ø µ Ì ÖÑ Ò Ö Ü ÙÓ ÙÑ ÔÖÓ Ó ÚÓ Ü Ø ÒØ Ø Óµ retorna o controlo ao processo-pai, indicando-lhe através da variável Ø Ó como é que o processo-filho terminou: Ø Ó ¼ terminou normal. Ø Ó ¼ terminou com erro (valor é o código do erro). Ô Ö Ö ÕÙ ÙÑ ÔÖÓ Ó¹ Ð Ó Ø ÖÑ Ò Ô Ø Û Ø ÒØ Ø Óµ o processo que executa a função, suspende à espera que um dos processos-filho termine, ou até receber ele mesmo um sinal para terminar. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 25

26 A função Û Ø µ retorna o identificador do processo que terminou e a forma como terminou (através da variável Ø Ó). Ô Ö Ö ÕÙ ÙÑ ÔÖÓ Ó¹ Ð Ó Ô Ó Ø ÖÑ Ò Ô Ø Û ØÔ Ô Ø Ô ÒØ Ø Ó ÒØ ÓÔ µ o processo suspende à espera que o processo Ô termine. Se o valor de Ô for ¹½, esta função equivale à função Û Ø µ. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 26

27 Exemplo com Ü Ø µ e Û Ø µ ÒÐÙ <sys / types. h> ÒÐÙ <sys / wait. h> ÒÐÙ < s t d l i b. h> ( ) Ñ Ò { Ô Ø Ð ÓÁ ; ÒØ Ø Ó ; ( ( Ð ÓÁ = ( ) ) == 1) { ( ) ( 1 ) ; } ( Ð ÓÁ ==0) ( (& )!= ) ( } Ð ( ËÓÙ Ó Ô ÓÑ Ô ± Ð Ò, ( ÐÓÒ ) ØÔ ( ) ) ; ÔÖ ÒØ ( 0 ) ; Ü Ø DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 27

28 Mais um exemplo de sincronização de processos Escrever um programa que crie um processo filho para calcular o número de fibonnacci de ordem 10, enviando o resultado ao processo pai por um sinal. O processo pai deve esperar que o processo filho termine, apanhar o sinal enviado e escrevê-lo. DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 28

29 Mais um exemplo de sincronização de processos ATENÇÃO: este programa não funciona se o fibonacci devolver valores maiores do que 256, por causa do tipo de WEXITSTATUS!! Ò ½¼ ( ) ÚÓ { } ; { ( Ò==0) 1; = ( ) ; ( Ò==1) 1; ( ( ) ) Ò 1) ( (10) ) ; ( Ò 2) ; { } (& ) ; ( ( ) ) { ( } } Ð { } Ö ØÙÖÒ ; ÔÖ ÒØ ( Ð ÒÓØ Ø ÖÑ Ò Ø ÒÓÖÑ ÐÐÝ ) ; DCC/FCUP Fernando Silva Sistemas de Operação 29