Processos. Sistemas Operacionais II. Anderson L. S. Moreira

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1 Sistemas Operacionais II Processos Anderson L. S. Moreira Copyright , Free Electrons. Creative Commons BY-SA 3.0 license Latest update: 22 de Mar de 2010, Created by: Anderson L. S. Moreira Original: Francis Berenger Machado / Luiz Paulo Maia anderson.moreira@recife.ifpe.edu.br 1

2 Introdução Processos Visão Geral Revisão de SO estrutura, estados de execução, tipos e sinais 2

3 Introdução A gerência de um ambiente multiprogramável é função exclusiva do SO; Um programa sempre deve está associado a um processo; Gerência de processos é uma das principais funções de um SO: Possibilita: Alocar recursos; Compartilhar dados; Trocar informações; Sincronizar suas execuções. Nos sistemas multiprogramáveis executam concorrentemente; Nos sistemas multi processadores existem as mesmas características dos multiprogramáveis mais a execução simultânea 3

4 Estrutura do Processo O processador é projetado para executar instruções a partir do ciclo de busca e execução; Nesse ciclo, o processador busca a instrução a ser executada na memória principal, armazena-a no registrador de instruções (RI); Decodifica seus bits e realiza a execução; O registrador PC em função de armazenar sempre o endereço da próxima instrução a ser executada: Alterações no seu conteúdo implica na mudança da execução no processo. Na visão da camada de hardware o processador executa instruções sem distinguir qual programa encontra-se em processamento; 4

5 Estrutura do Processo É papel do SO implementar a concorrência entre programas gerenciando a alternância da execução de instruções na UCP de maneira controlada e segura; O conceito de processo torna-se essencial para que os sistemas multiprogramáveis implementem a concorrência de diversos programas e atendam a múltiplos usuários simultâneos; Conceito formal de processos: Um processo pode ser definido como sendo o conjunto necessário de informações para que o SO implemente a concorrência entre programas. 5

6 Estrutura do Processo A troca de um processo para outro no processador, comanda pelo SO, chama-se mudança de contexto; PROG_1 PROG_2 PROG_3 Instr. 1.1 Instr. 1.2 Instr. 1.3 Instr. 1.4 Instr Informações de registradores Instr. 2.1 Instr. 2.2 Instr. 2.3 Instr. 2.4 Instr Informações de registradores Instr. 3.1 Instr. 3.2 Instr. 3.3 Instr. 3.4 Instr Informações de registradores Processo X Processo Y Processo Z Instr. 1.1 Instr. 1.2 Instr. 1.3 Instr. 1.4 Instr. SO Instr. 2.1 Instr. 2.2 Instr. SO Instr. 3.1 Instr. 3.2 Instr. 3.3 Instr. 3.4 Instr. SO Instr t0 t4 t5 t7 t8 t12 t13 6

7 Estrutura do Processo Em sistemas multiusuários, cada usuário tem seu programa associado a um processo; Ao executar um programa, o usuário tem a impressão de possuir o processador e todos os demais recursos reservados exclusivamente para seu uso; Isso não é verdade já que os recursos estão compartilhados pela UCP; 7

8 Estrutura do Processo Outro conceito de processo: ambiente onde o programa é executado; Além de informações sobre execução, tem a quantidade de recursos do sistema que cada programa pode utilizar: Espaço de endereçamento na memória principal; Tempo de processador; Área de disco. 8

9 Estrutura do Processo Formação do processo C o ntexto de S o ftw are C o nte xto de H ardw are Pro g rama Espaço de Endereçame nto 9

10 Estrutura do Processo Contexto de Hardware 10

11 Estrutura do Processo Contexto de hardware Armazena o conteúdo dos registradores gerais da UCP: Além do estado da PC; Stack pointer (SP); Registrador de status. Quando um processo está em execução: O seu contexto de hardware está armazenado nos registradores do processador; No momento que o processo perde o processador o sistema salva as informações no contexto de hardware do processo. 11

12 Estrutura do Processo Contexto de hardware O contexto de hardware é fundamental para implementação de sistemas multi programáveis, onde processos alternam a utilização da UCP S istema O pe racio nal Pro cesso A Pro cesso B e xe cutando Salva reg istradores do Pro cess o A C arre g a reg is trado re s do Process o B e xe cutando Salva reg istradores do Process o B C arre g a reg is trado re s do Pro cess o A e xe cutando 12

13 Estrutura do Processo Contexto de Software 13

14 Estrutura do Processo Contexto de software São especificados limites e características dos recursos que podem ser alocados pelo processo: Número máximo de arquivos abertos simultaneamente; Prioridade de execução; Tamanho do buffer para operações de E/S. Muitas dessas características são determinadas no momento da criação do processo; Outras podem ser alteradas durante a existência. 14

15 Estrutura do Processo Contexto de software As informações provém de um arquivo do SO chamado arquivo de usuários; Nesse arquivo contém os limites de recursos que cada processo pode alocar; Composição do contexto de software: Identificação; Quota; Privilégios. 15

16 Estrutura do Processo Contexto de software Identificação: Cada processo recebe um PID o SO faz referencia a qualquer processo por esse número. Junto com o PID tem o owner UID. Quotas: São limites de cada recurso do sistema que um processo pode alocar; Caso quota seja insuficiente o processo será executado lentamente, interrompido ou não ser executado; Exemplos: número máximo de arquivos aberto simultaneamente, tamanho máximo de memória principal, etc... 16

17 Estrutura do Processo Contexto de software Privilégios: Também conhecidos como direitos definem as ações que um processo pode fazer em relação a ele mesmo, aos demais processos e ao SO; Os que afetam o próprio processo permitem que suas características possam ser alteradas; Os que afetam demais processos além da alterações das próprias características, altera de outros processos. 17

18 Estrutura do Processo Espaço de Endereçamento 18

19 Estrutura do Processo Espaço de Endereçamento É a área de memória pertencente ao processo onde instruções e dados dos programas são armazenados para execução; Cada processo possui o seu espaço de endereçamento que deve ser protegido do acesso dos demais processos; 19

20 Estrutura do Processo Espaço de Endereçamento o w n e r ( U I D ) p r i o r i d a d e d e e x e cu çã o n o m e P I D r e g i s tr a d o r e s g e r a i s r e g i s t r a d o r P C d a t a / h o r a d e cr i a çã o C o ntexto de So ftw are C o ntexto de H ardw are t e m p o d e p r o ce s s a d o r r e g i s t r a d o r SP q u o t a s p r i v i l é g i o s Pro g rama Espaço de Endereçamento r e g i s tr a d o r d e s t a t u s e n d e r e ço s d e m e m ó r i a p r i n ci p a l a l o ca d o s 20

21 Bloco de Controle do Processo É implementado pelo SO, também conhecido como PCB; O SO mantém todas as informações sobre o contexto de hardware, contexto de software e espaço de endereçamento po nte iro s Estado do pro ce sso N o me do pro ce s so Prio ridade do pro ce sso Re g istrado re s Limite s de me mó ria Lista de arquivo s abe rto s. 21

22 Bloco de Controle do Processo Os PCBs de todos os processo ativos residem na memória principal em uma área exclusiva do SO; O tamanho dessa área geralmente é limitado por um parâmetro do SO que permite especificar o número máximo de processos que podem ser suportados simultaneamente pelo sistema; 22

23 Bloco de Controle do Processo 23

24 Estados do Processo Estados do Processo Execução, Pronto e Espera 24

25 Estados do Processo Em sistemas multiprogramáveis; Um processo não devem alocar exclusivamente a UCP; Os processos passam por diversos estados ao longo do processamento; Tudo em função de eventos: Processos Ativos tem: Execução (running); Pronto (ready); Espera (wait). 25

26 Estados do Processo - Execução Um processo é dito no estado de execução quando está sendo processado pela UCP; Em sistemas com uma UCP somente um processo pode ser executado em um dado instante de tempo; Os processo se alternam de acordo com a política de escalonamento estabelecida; Em sistemas multi processadores um mesmo processo pode ser executado diversas vezes e em conjunto com outros. 26

27 Estado de Processo - Pronto Um processo está no estado de pronto quando aguarda apenas para ser executado; O SO é responsável por determinar ordem e os critérios pelos quais os processos em estado de pronto devem fazer uso do processador; Escalonamento é esse mecanismo; Processos são alocados de acordo com sua importância; Ficam em lista encadeada. 27

28 Estado de Processo - Espera Um processo está em estado de espera quando aguarda por algum evento externo ou por algum recurso para prosseguir seu processamento; Exemplo: Espera pelo término de uma operação de E/S; Espera uma determinada data e hora; Em alguns sistemas também é chamado de Bloqueado. 28

29 Lista de PCBs nos Estados de Pronto e Espera Lista de pro cesso s e m e stado de pro nto. P C B # 5. P C B # 1 Lista de pro cesso s e m e stado de e spera... P C B # 9 P C B # 2 P C B # 4 29

30 Mudanças de Estado do Processo Um processo muda de estado durante seu processamento em função de eventos: Eventos voluntários Eventos involuntários Basicamente existem quatro mudanças de estado: Pronto Execução Execução Espera Espera Pronto Execução Pronto 30

31 Mudanças de Estado do Processo Estado de Exe cução b d a c Estado de Espe ra Estado de Pro nto 31

32 Mudanças de Estado do Processo Estado de Exe cução re sidente não reside nte Estado de Espe ra Estado de Pro nto Estado de Espe ra Estado de Pro nto 32

33 Criação e Eliminação de Processos Processo são criados e eliminados por motivos diversos; Criação: Ocorre quando o SO atribui um novo PCB a sua estrutura; Aloca um espaço de endereçamento na memória para uso. Eliminação: Quando todos os recursos são desalocados; PCB eliminado pelo SO. 33

34 Criação e Eliminação de Processos Es ta do de Exe cuçã o Es ta do de Té rmino Es tado de Es pe ra Es ta do de Pro nto Es tado de C ria çã o 34

35 Processos Processos e seus tipos CPU-bound e I/O bound Background e Foreground 35

36 Processos CPU-bound e I/O-bound Um processo é definido como sendo CPU-bound (ligado à UCP) quando passa a maior parte do tempo no estado de execução, utilizando o processador, ou pronto; CPU-bound realiza poucas operações de leitura e gravação; Geralmente encontrado em aplicações científicas e jogos (efetuam muitos cálculos). 36

37 Processos CPU-bound e I/O-bound Um processo é definido como I/O-bound (ligado à E/S) quando passa a maior parte do tempo em estado de espera, pois realiza um elevado número de operações de E/S; I/O-bound é encontrado em: Aplicações comerciais, pois se baseiam em leitura, processamento e gravação; Processo interativos (caixa eletrônico, acesso a banco, etc...) 37

38 Processos CPU-bound e I/O-bound E/S E/ S U C P U C P te mpo te mpo (a) C PU - bo und (b) I/O - bo und 38

39 Processos Foreground e Background Um processo possui pelo menos dois canais de comunicação associado a sua estrutura: Na qual serão realizadas todas as entradas e saídas ao longo do seu processamento. Os canais de entrada (input) e saída (output) de dados podem estar associados a terminais, arquivos, impressoras e até a outros processos; Processo foreground é aquele que permite a comunicação direta do usuário durante a seu processamento; Processo background é aquele em que não existe comunicação com o usuário durante o seu processamento; 39

40 Processos Foreground e Background (a) Pro ce s so Fo re g ro und e ntrada s aída te rmina l te rmina l (b) Pro ce s s o Backg ro und e ntrada s aída arquivo de e ntrada arquivo de sa ída 40

41 Processos Foreground e Background É possível associar o canal de saída de um processo ao canal de entrada de outro processo, através de um pipe. e ntrada do Pro ce sso A Pro ce ss o A saída do Pro ce sso A e ntrada do Pro ce sso B Pro ce ss o B s aída do Pro ce sso B 41

42 Formas de Criação de Processos Um processo pode ser criado de diversas maneiras. As três formas principais são: Logon interativo Via Linguagem de Comandos Via Rotina do SO 42

43 Formas de Criação de Processos Logon Interativo 43

44 Formas de Criação de Processos Linguagem de Comandos A partir do processo do Logon Interativo, criar novos processos; Objetivo para que um usuário crie diversos processos possibilitando assim a execução concorrente; O processo pode ser foreground ou background dependendo do comando de criação 44

45 Formas de Criação de Processos Rotina do SO Possibilita a execução de outros programas concorrentemente ao programa chamador; Depende do SO a rotina de criação: Depende de parâmetros como nome de processo a ser criado, nome do programa executável, prioridade de execução, estado de processo, etc... Exemplo procedure Tform.CriaProcesso(Sender: Tobject); var status: boolen; si: STARTUPINFO; pi: PROCESS_INFORMATION; begin NomeExe := PChar( \WINNT\NOTEPAD.EXE ); 45

46 Processos Independentes, Subprocesso e Threads São maneiras diferentes de implementar a concorrência dentro de uma aplicação; Busca-se dividir o código em partes para trabalharem de forma cooperativa; Processos independentes não existe vínculo do processo criado com o seu criador; Subprocessos criados dentro de uma estrutura hierárquica; Processo-pai e processo-filho. 46

47 Processos Independentes, Subprocesso e Threads Pro ce sso A Pro ce sso B Pro ce sso C Pro ce sso D Pro ce sso E 47

48 Processos Independentes, Subprocesso e Threads O conceito de threads foi introduzidos na tentativa de reduzir o tempo gasto em criação, eliminação e troca de contexto de processos nas aplicações concorrentes; Um único processo admite várias linhas de execução: C o ntexto de hardware C ontexto de hardware C ontexto de hardware Contexto de software Thread 1 Thread 2 Espaço de endereçamento Thread 3 48

49 Processos do Sistema Operacional Processos são utilizados para implementação de serviços do SO; Quando processos são utilizados para implementação de serviços do SO, estamos retirando código do seu núcleo, tornando-o menor e mais estável; No caso de um ou mais serviços não serem desejados basta não ativar o processo; Alguns serviços: auditoria e segurança, serviços de rede, contabilização do uso de recursos, contabilização de erros, gerência de impressão, temporização, comunicação de eventos, interface de comandos (shell). 49

50 Sinais inte rrupção S iste ma O pe racio nal sinal [ctrl- C ] Pro ce sso 50

51 Sinais, Interrupções e Exceções Pro cesso Pro cess o S inais S istema O pe racio nal Interrupçõ e s Exce çõ es H ardw are 51

52 Bibliografia Sistemas operacionais, Romulo Oliveira, 2009; Arquitetura de Sistemas Operacionais, Francis Machado, 2008; Embedded Linux Experts 52

53 Exercícios Atividade 1 Criação de processos Prática de simulação Execute o Sosim e identifique as quatro janelas que são abertas na inicialização; Crie um processo: janela Gerência de Processos / Criar janela Criação de Processos / Criar Análise prática Na janela Gerência de Processos, observe algumas informações sobre o contexto de software do processo como PID, prioridade, estado do processo e tempo de processador; Na janela Gerência de Processador, observe o processo transicionando entre estados; Na janela Gerência de Processador, movimente a barra de Clock de UCP e observe as variações ocorridas. Questão teórica: Com base na observação do comportamento do processo criado, identifique se o processo é I/O-bound ou CPU-bound. Justifique. 53

54 Exercícios Atividade 2 Tipos de processos (a) Práticas de simulação: Reinicialize o simulador; Crie um processo do tipo CPU-bound: janela Gerência de Processos / Criar janela Criação de Processos / Criar (tipo de processo deve ser CPU-bound); Crie outro processo do tipo I/O-bound: janela Gerência de Processos / Criar janela Criação de Processos / Criar (tipo de processo deve ser I/O-bound). 54

55 Exercícios Atividade 2 Tipos de processos (b) Análise Prática Na janela Gerência de Processos, observe as mudanças de estado dos dois processos; Na janela Gerência de Processador, observe o comportamento dos processos e as mudanças de contexto em função do tipo I/O-bound e CPU-bound; Na janela Gerência de Processos, compare a taxa de crescimento do tempo de processador dos dois processos. Questão teórica Analise os efeitos gerados no caso de redução do tempo gasto na operação de E/S pelo processo I/Obound 55

56 Exercícios Atividade 3 PCB Prática de simulação Reinicialize o simulador; Crie dois novos processos: janela Gerência de Processos / Criar janela Criação de Processos / Criar Análise da Prática Na janela Gerência de Processos / PCB, observe as informações sobre contexto de software hardware dos processos criados. Questão teórica Identifique quais informações do PCB são estáticas e quais fazem parte do contexto de software e contexto de hardware. 56

57 Exercícios Atividade 4 Estatísticas Práticas de simulação Reinicialize o simulador; Ative a janela de Estatísticas em Console Sosim / Janelas / Estatísticas Crie dois novos processos: janela Gerência de Processos / Criar janela Criação d Processos / Criar. Análise Prática Na janela estatística, observe as informações: número de processos, estado dos processos e processos escalonados Questão teórica Observe que em alguns momentos existem processos no estado de pronto, porem nenhum em estado de execução. Explique a razão dessa situação. 57

58 Exercícios Atividade 5: Log de Execução dos Processos Práticas de simulação Reinicalize o simulador. Ative a janela de Log em Console SOsim / Janelas / Log. Crie dois novos processos do tipo CPU-bound: janela Gerência de Processos / Cria janela Criação de Processos / Criar (tipo de processo deve ser CPU-bound). Análise Prática Na janela Log, observe as informações sobre as mudanças de estado dos processos observando o tempo que cada processo permanece nos estados de Execução e Pronto. Reinicalize o simulador parametrizando com um valor de fatia de tempo diferente observe as diferenças na janela Log. Questão teórica - Analise comparativamente a concorrência de dois processos CPUbound executando em dois sistemas operacionais que se diferenciam apenas pelo valor da fatia de tempo. 58

59 Exercícios Atividade 6: Suspensão e Eliminação de Processos Práticas de simulação Reinicalize o simulador. Crie dois novos processos: janela Gerência de Processos / Cria janela Criação de Processos / Criar. 59

60 Exercícios Atividade 6 Análise Prática Na janela Gerência de Processos, observe as informações sobre o contexto de software dos processos criados. Na janela Gerência de Processador, observe a concorrência no uso do processador pelos dois processos. Compare percentualmente os tempos de uso do processador entre os dois processos. Suspenda temporariamente um dos processos na janela Gerência de Processos / Suspender. Observe os estados dos processos, a concorrência no uso do processador e novamente compare percentualmente os tempos de uso do processador entre os dois processos. Libere o processo do estado de espera (suspenso) na janela Gerência de Processos / Prosseguir. Elimine um dos processos na janela Gerência de Processos / Finalizar. 60

61 Exercícios Atividade 6 Questão teórica Ao se eliminar um processo em estado de suspenso, o processo não é eliminado imediatamente. Reproduza essa situação no simulador e explique o porquê da situação 61

62 No próximo episódio de SO II!!! Sistemas de Arquivos; Questões práticas de SO 62