Unidade III Gerência de Processos

(1)

Sistemas Operacionais

Unidade III – Gerência de Processos

http://www.lncc.br/~lrodrigo

Professor: Luis Rodrigo – lrodrigo@lncc.br

(2)

Unidade III: Gerência de Processos



Conceito de Processo

 Materialização do Processo  Estados do processo

 Mudanças de Estado  Tipos de processo



Escalonamento de Processos



Threads



Comunicação entre Processos

 Exclusão mútua e região crítica

 Soluções de software para exclusão mútua  Concorrência e Sincronização de Processos

(3)

Escalonamento :



Escalonamento (schedulling):

✔ Conjunto de Regras utilizada pelo S.O.Conjunto de Regras utilizada pelo S.O.

✔ Define o ordem e o mecanismos de execução dos processosDefine o ordem e o mecanismos de execução dos processos



Escalonador:

✔ Componente do Kernel responsável pelo escalonamento;Componente do Kernel responsável pelo escalonamento; ✔ Deve impedir o “Starvation”Deve impedir o “Starvation”

✔ Fatores relevantes:Fatores relevantes: ➢ utilização da CPUutilização da CPU ➢ throughputthroughput

➢ turnaroundturnaround

(4)

Escalonamento :

Rodando Pronto Bloqueado Escalonamento/Escalonador

(5)

Escalonamento :



Tipos de Escalonamento

✔ Não Preemptivo:Não Preemptivo:

➢ eventos voluntárioseventos voluntários ✔ Preemptivo:Preemptivo:

➢ eventos não voluntárioseventos não voluntários

(6)

Escalonamento :



Escalonamento não Preemptivo



todos usam um única fila

✔ FIFO – First-in-first-outFIFO – First-in-first-out

➢ processos CPU-Bound (menor prioridade) prejudicam os processos processos CPU-Bound (menor prioridade) prejudicam os processos

IO-Bound (maior prioridade)

IO-Bound (maior prioridade) ✔ SJF - Shortest-jof-first:SJF - Shortest-jof-first:

➢ processos com menor tempo de execução são tratados primeiroprocessos com menor tempo de execução são tratados primeiro ➢ não é simples determinar o tempo para a conclusão do processonão é simples determinar o tempo para a conclusão do processo ✔ Cooperativo:Cooperativo:

➢ fila de mensagensfila de mensagens

➢ sem intervenção do S.O.sem intervenção do S.O.

(7)

Escalonamento :



Escalonamento Preemptivo



Ação de eventos voluntários involuntários

✔ Circular – Round RobinCircular – Round Robin

➢ uma única fila de prontouma única fila de pronto

➢ atendidos pela ordem de chegadaatendidos pela ordem de chegada ➢ preempção por tempopreempção por tempo

➢ uso de time-slice (quantum)uso de time-slice (quantum)

Rodando Bloqueado A | B | C | D | E Pronto Preempção p/Tempo

(8)

Escalonamento :



Escalonamento Preemptivo

✔ Por PrioridadePor Prioridade

➢ uma única fila de prontouma única fila de pronto

➢ Prioridade : (i) definida pelo SO, (ii) estática ou dinâmicaPrioridade : (i) definida pelo SO, (ii) estática ou dinâmica ➢ Ao final do time slice / inicio do escalonamento:Ao final do time slice / inicio do escalonamento:

➢ Arruma lista de processosArruma lista de processos

➢ Se o 1º processo da fila de pronto possui prioridade maior ou igual ao Se o 1º processo da fila de pronto possui prioridade maior ou igual ao

que está sendo executa ocorre o escalonamento

➢ Senão processo que está sendo executado continua por mais um Senão processo que está sendo executado continua por mais um

time-slice;

➢ Prioridade dinâmica pode ser usada para compensar os processos que Prioridade dinâmica pode ser usada para compensar os processos que

ficam na fila de pronto (fila de espera pela CPU)

(9)

Escalonamento :



Por múltiplas filas

➢ Várias filas de pronto;Várias filas de pronto;

➢ Cada fila possui uma prioridadeCada fila possui uma prioridade

➢ Processo não pode mudar de prioridadeProcesso não pode mudar de prioridade

➢ Processos ganham a CPU quando não á processo de maior prioridadeProcessos ganham a CPU quando não á processo de maior prioridade

Rodando Bloqueado Pronto A | B | C | D | E A | B | C | D | E A | B | C | D | E A | B | C | D | E A | B | C | D | E +

(10)

-Escalonamento :

Escalonamento :



Por múltiplas filas e com realimentação

➢ Várias filas de pronto;Várias filas de pronto;

➢ Cada fila possui uma prioridadeCada fila possui uma prioridade

➢ Processo pode mudar de prioridade Processo pode mudar de prioridade ➢ Mecanismo adaptativo :Mecanismo adaptativo :

➢ Quando criado o processo é colocado no final da fila de maior Quando criado o processo é colocado no final da fila de maior

prioridade

➢ Se ocorrer preempção por prioridade ou pelo S.O., o processo volta ao Se ocorrer preempção por prioridade ou pelo S.O., o processo volta ao

final da fila de origem (prioridade n)

➢ Se ocorrer preempção por tempo processo vai para o final de Se ocorrer preempção por tempo processo vai para o final de

prioridade “n-1”, onde “n” é a prioridade atual

➢ Quando vai para a fila de bloqueados volta com prioridade “n+1”Quando vai para a fila de bloqueados volta com prioridade “n+1” ➢ Quanto maior a prioridade menor o time-sliceQuanto maior a prioridade menor o time-slice

(11)

Escalonamento :



Tempo real

➢ Prioridade EstáticaPrioridade Estática



Com multiplos processadores

➢ Sistema fortemente acoplado (memória compartilhada)Sistema fortemente acoplado (memória compartilhada) ➢ Fila únicaFila única

➢ Escalonado para o primeiro processador livreEscalonado para o primeiro processador livre

➢ Sistema fracamente acoplado (memória distribuída)Sistema fracamente acoplado (memória distribuída) ➢ cada processador usa seu próprio algoritmocada processador usa seu próprio algoritmo

(12)

Unidade III: Gerência de Processos



Conceito de Processo

 Materialização do Processo  Estados do processo  Mudanças de Estado  Tipos de processo 

Escalonamento de Processos



Threads



Comunicação entre Processos

 Exclusão mútua e região críticaExclusão mútua e região crítica

 Soluções de software para exclusão mútuaSoluções de software para exclusão mútua  Concorrência e Sincronização de ProcessosConcorrência e Sincronização de Processos

(13)

Threads



Conceitos Básicos

:

✔

Assim como os processos, são elementos ativos que podem

interagir com o sistema e entre si

✔

Um processo pode ser composto por várias threads

✔

Cada processo possui seu próprio conjunto de recursos

✔

As threads de um processo compartilham um mesmo conjunto

de recursos, podem possuir recursos individualizados

(14)

Threads



Modelo Clássico

:

✔

para cada processo há um e somente uma thread

✔

neste caso a thread e o processo são a mesma entidade

Processo 1 Processo 2 Processo 3

(15)

Threads



Modelo Atual

:

✔

um processo pode ser composto de uma ou várias threads

✔

cada thread individualiza:

➢ os registradores; os registradores;

➢ o apontador de Instruçãoo apontador de Instrução ➢ a pilhaa pilha

Processo 1 Processo 2 Processo 3

(16)

Unidade III: Gerência de Processos



Conceito de Processo

 Materialização do Processo  Estados do processo  Mudanças de Estado  Tipos de processo 

Escalonamento de Processos



Threads



Comunicação entre Processos

 Exclusão mútua e região críticaExclusão mútua e região crítica

 Soluções de software para exclusão mútuaSoluções de software para exclusão mútua  Concorrência e Sincronização de ProcessosConcorrência e Sincronização de Processos

(17)

Comunicação entre processos :



IPC (InterProcess Comunnication)



Programação Distribuída (Concorrente/Paralela)

 Dividir para conquistar Dividir para conquistar

 Redundância / Validação de resultadosRedundância / Validação de resultados



Recursos que o S.O. deveria fornecer:

 Mecanismos de SincronizaçãoMecanismos de Sincronização  Mecanismos de ComunicaçãoMecanismos de Comunicação

 Memória CompartilhadaMemória Compartilhada  Troca de MensagensTroca de Mensagens

(18)

Condições de Corrida :



Ocorrem quando 2 ou + processos necessitam utilizar

o mesmo recurso:

 arquivos em discoarquivos em disco

 variáveis compartilhadasvariáveis compartilhadas  spool de impressãospool de impressão



E a ordem no acesso do recurso pode alterar o

resultado final:

 obter saldo && realizar um depositoobter saldo && realizar um deposito  obter saldo && realizar um saqueobter saldo && realizar um saque

(19)

Regiões Críticas :



Parte do código que leva às condições de corrida



Para protege-las foram definidos mecanismos que

impedem que 2 ou + processos acessem a mesma R.C.

ao mesmo tempo



Os mecanismos de controle devem

 Permitir a entrada de apenas um processo na RCPermitir a entrada de apenas um processo na RC

 Não deve-se fazer consideração quanto a velocidade de execução dos Não deve-se fazer consideração quanto a velocidade de execução dos

processos e processadores

 Processos fora da RC não podem bloquear processos dentro da RCProcessos fora da RC não podem bloquear processos dentro da RC  Nenhum processo pode esperar indefinidamente para entrar na RCNenhum processo pode esperar indefinidamente para entrar na RC

(20)

Exclusão mútua :



Há duas formas de evitar as condições de corrida e

proteger as regiões criticas:

 Exclusão Mútua com espera ocupada Exclusão Mútua com espera ocupada  Exclusão Mútua sem espera ocupadaExclusão Mútua sem espera ocupada



Elas devem impedir que processos concorrentes

acessem ao mesmo tempo um determinado recurso



Demais processos devem esperar o encerramento da

operação sobre o recurso antes de utiliza-lo

(21)

Espera Ocupada :



Inibição de Interrupções:

✔ desabilitar todas as interrupções ao entrar na região críticadesabilitar todas as interrupções ao entrar na região crítica ✔ inclusive interrupção do clockinclusive interrupção do clock

✔ só funciona em máquinas com um único processador / núcleosó funciona em máquinas com um único processador / núcleo

✔ pode causar DOS, caso as interrupções continuem desativadas ao pode causar DOS, caso as interrupções continuem desativadas ao

finalizar a região crítica

(22)

Espera Ocupada :



Variáveis de travamento:

✔ variável compartilhada, que pode assumir 0 ou 1variável compartilhada, que pode assumir 0 ou 1 ✔ quando 0 o processo pode entrar na RCquando 0 o processo pode entrar na RC

✔ falha quando um processo obtém o valor 0 mas não tem tempo para falha quando um processo obtém o valor 0 mas não tem tempo para

atualiza-lo para 1

✔ também falha quando o processo não altera seu valor para 0 ao sair da também falha quando o processo não altera seu valor para 0 ao sair da

Região Crítica

(23)

Espera Ocupada :



Escrita alternada:

✔ TURN - Variável inteira compartilhada TURN - Variável inteira compartilhada

✔ O valor contido na variável define de quem é a vez de entrar na RCO valor contido na variável define de quem é a vez de entrar na RC ✔ Realiza um teste contínuo sobre o valor da variávelRealiza um teste contínuo sobre o valor da variável

Processo A ... while (true) { while (TURN != 0) regiaoCritica (); TURN++; regiaoNaoCritica (); } Processo B ... while (true) { while (TURN != 1 ) regiaoCritica (); TURN=0; regiaoNaoCritica (); }

(24)

Espera Ocupada :



Solução de Peterson:

✔ Duas Variáveis: travamento e intençãoDuas Variáveis: travamento e intenção ✔ Duas Funções:Duas Funções:

✔ enterRegion ( int proc) enterRegion ( int proc) ✔ leaveRegion ( int proc )leaveRegion ( int proc )

#include “prototype.h” #define FALSE=0 #define TRUE=1 #define N=2 int turn; int interested (N);

void leaveRegion (int proc) { interested[proc] = FALSE; }

void enterRegion (int proc) { int other;

other=1-proc;

interested[proc] = TRUE; turn=proc;

while (turn == proc &&

interested[other] == TRUE ); }

(25)

Espera Ocupada :



Instruções TSL:

✔ Test and Set Lock (instrução atômica)Test and Set Lock (instrução atômica)

✔ Transfere o conteúdo da memória para o contado e armazena na Transfere o conteúdo da memória para o contado e armazena na

memória um valor não nulo

✔ Desabilita acesso a memória aos demais processadoresDesabilita acesso a memória aos demais processadores ✔ Evita a chegada de interrupções no meio da atualizaçãoEvita a chegada de interrupções no meio da atualização ✔ Suportado apenas em AssemblySuportado apenas em Assembly

✔ Falha quando o processo que está na RC é abortadoFalha quando o processo que está na RC é abortado

enter_region PROC

_loop: TSL register, lock; CMP lock,0; JNE _loop; RET enter_region ENDP leave_region PROC mov lock, #0; ret; leav_region ENDP

(26)

Sem Espera Ocupada :



Evita que o loop de espera



Problema de inversão de prioridade

✔ processo “H” com alta prioridade e for a de RC, impede que o processo processo “H” com alta prioridade e for a de RC, impede que o processo

“L” com baixa prioridade rode e execute a RC

●

Pode gerar um Deadlock (abraço mortal)

●

Solução utiliza política de prioridade dinâmica

●

Processo na RC deve ter a maior prioridade

✔ comparado com aqueles que está concorrendocomparado com aqueles que está concorrendo ✔ ao sair da RC volta a prioridade normalao sair da RC volta a prioridade normal

(27)

Sem Espera Ocupada :



Sleep e Wakeup

✔ sleep () : coloca o processo para dormir (fila de bloqueado)sleep () : coloca o processo para dormir (fila de bloqueado)

✔ wakeup (proc) : acorda o processo que estava na fila de bloqueadowakeup (proc) : acorda o processo que estava na fila de bloqueado

✔ Falha quando um processo que ainda não foi para a fila de bloqueados Falha quando um processo que ainda não foi para a fila de bloqueados

recebe um sinal de wakeup

✔ Solução: uso de “n” bits para contar a quantidade de wakeups que um Solução: uso de “n” bits para contar a quantidade de wakeups que um

processo recebeu

(28)

Sem Espera Ocupada :



Semáforo

✔ Variáveis inteiras não negativas protegidasVariáveis inteiras não negativas protegidas ✔ Valor inicial = 0 Valor inicial = 0 → não há sinal armazenado→ não há sinal armazenado ✔ Valores positivos indicam sinais pendentesValores positivos indicam sinais pendentes

✔ Operações Atômicas para sincronização de processos:Operações Atômicas para sincronização de processos: ✔ UP : incrementa contadorUP : incrementa contador

✔ Down : decrementa contadorDown : decrementa contador

✔ Resolve o problema de perda de sinaisResolve o problema de perda de sinais

✔ Quando há mais de um processador a variável do semáforo deve ser Quando há mais de um processador a variável do semáforo deve ser

protegida por instruções TSL

(29)

Sem Espera Ocupada :



Semáforo

✔ Tipos:Tipos:

✔ Binários : podem assumir 0 ou 1Binários : podem assumir 0 ou 1

✔ Contadores e/ou Genéricos : valores inteiro não negativosContadores e/ou Genéricos : valores inteiro não negativos ✔ CódigoCódigo def down (S) : if ( S > 0 ) : S = S – 1 else #espera no semáforo def up (S) : if ( processo esperando: ocorde_um_processo ( ) else S = S + 1

(30)

Sem Espera Ocupada :



Semáforo

program exemplo_semaforo var ativo : semaphore;

procedure processo_um; begin while true do begin algumas_funcoes_um down (ativo) regiao_critica_um up (ativo) outras_funcoes_um end end; procedure processo_dois; begin while true do begin algumas_funcoes_dois down (ativo) regiao_critica_dois up (ativo) outras_funcoes_dois end end; begin inicializa_semaforo (ativo, 1); parbegin processo_um; processo_dois parend end.

(31)

Sem Espera Ocupada :



Contadores de Evento

✔ Variáveis especiais, que permitem as operações:Variáveis especiais, que permitem as operações: ✔ read (E) : obtém o valor de “E”read (E) : obtém o valor de “E”

✔ advande (E) : incrementa o valor de “E”advande (E) : incrementa o valor de “E”

✔ await (E,N) : espera até que “E” tenha o valor “N”await (E,N) : espera até que “E” tenha o valor “N” ✔ Valores iniciados com 0 Valores iniciados com 0

(32)

Sem Espera Ocupada :



Monitores

✔ Simples de serem utilizadosSimples de serem utilizados ✔ Controlados pelo S.O.Controlados pelo S.O.

✔ S.O. garante que apenas um processo está dentro do monitorS.O. garante que apenas um processo está dentro do monitor ✔ Devem ser suportados pelo compiladorDevem ser suportados pelo compilador

✔ Primitivas de alto nível implementadas como:Primitivas de alto nível implementadas como: ✔ conjunto de procedimentosconjunto de procedimentos

✔ estrutura de dados e variáveisestrutura de dados e variáveis

✔ Formam módulos especiais que podem ser chamados pelos processosFormam módulos especiais que podem ser chamados pelos processos ✔ Não podem ser alteradosNão podem ser alterados

(33)

Sem Espera Ocupada :



Monitores

✔ Funções internas não podem ser acessadas de fora do monitorFunções internas não podem ser acessadas de fora do monitor ✔ O compilador deve implementar a exclusão mútua na entrada dos O compilador deve implementar a exclusão mútua na entrada dos

monitores;

✔ Assim como as demais soluções funciona apenas em sistemas de memória Assim como as demais soluções funciona apenas em sistemas de memória

compartilhada. compartilhada. monitor exemplo; var i: integer; c: condition;

procedure produtor (x: integer); begin

... end;

procedure consumidor ( x : integer); begin

... end;

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