Sistemas Operacionais

Instituto de Informática

-U

FRGS

Sistemas Operacionais

Processos

Implementação e estudo de casos

Aula 03

Questões...



Em que momentos um processo pode ser criado?



Como que se cria processos? O que deve ser feito na criação?

Como um processo pode ser terminado? O que deve ser feito no

término?

Introdução



Os processos são criados por ações do sistema operacional ou de

outros processo

■ Chamada de sistema ou funções específicas ■ Possuem um ciclo de vida: criação-execução-término 

Cada processo possui

■ Uma identificação única: Process Identifier (pid)

■ serve para “rastrear e monitorar” as atividades e demandas de um

processo em particular

■ Um PCB (Process Control Block) ou descritor de processo 

O sistema operacional mantém uma tabela de processos

■ Uma lista (vetor) de descritores de processos (PCB)

Sistemas Operacionais 3 Instituto d e Informática -UFRGS

Implementação de processo



O processo é “materializado” através de uma estrutura de dados

■ Mantido na área de dados do núcleo do sistema operacional 

Informações mantidas:

■ Espaço de endereçamento ■ Contexto

■ Estado

■ Contabilização do uso de recursos do sistema

■ Proteção e compartilhamento

■ etc

Sistemas Operacionais 4

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Criação e término: situação genérica

Criação

■ Inicialização do sistema (bootstrap)

■ Em sistemas batch (lote), pelo inicio de uma tarefa

■ Chamadas de sistema

■ Requisição explícita do usuário via linha de comando ou “cliques” em ícones

em uma interface gráfica



Término

■ Normal (voluntário)

■ Consequência de uma rotina de tratamento de erro (voluntário)

■ Erro fatal (involuntário) ■ Cancelamento (involuntário)

Sistemas Operacionais 5

Efeito colateral: o que fazer com os processos

que foram criados pelo processo que termina?

Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 6 A . C arissimi -3-sep t.-17

Relacionamento entre processos

Processos independentes

■ Não apresentam relacionamentos com outros processos 

Grupo de processos

■ Apresentam algum tipo de relacionamento

■ e.g. filiação

■ Podem compartilhar recursos ■ Definição de hierarquia de processos

Instituto d e Informática -UFRGS A . C arissimi -3-sep t.-17

Hierarquia de processos

 Processo criador (pai) e processo criado (filho) ■ Um processo tem um único pai

■ Um processo filho pode criar outros processos filhos ■ Gera uma hierarquia

 Representação através de uma árvore ■ Evolução dinâmica

 O que fazer na destruição de um processo? ■ Toda a descendência “morre”

■ A descendência é herdada pelo processo “avô” ■ Postergar a destruição efetiva do processo pai até

que os todos processos filhos terminem

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Criação, execução e término de processos

Criação de um processo

■ Significa alocar um PCB para ele e inicializar adequadamente

■ Um PCB (descritor de processo) = estrutura de dados



Durante sua existência o processo passa pelos estados apto,

executando e bloqueado



Término

■ Liberação do PCB

Processo = Código + Pilha + Dados + heap + recursos + estado da CPU + pid PCB Espaço de endereçamento

Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 9 A . C arissimi -3-sep t.-17

Princípio básico de implementação de processos

 Processo é uma estrutura de dados

■ Alocação estática: vetor de N

elementos do tipo PCB

■ Alocação dinâmica (e.g. malloc)

 Os estados são filas de PCB

■ Fila de livres

■ Fila de aptos

■ Fila de execução

■ Fila de bloqueados

 Eventos (arcos) realizam transição

de uma fila a outra

apto execução bloqueado criação término Fila de bloqueados Fila de aptos Fila “em execução” Interface genérica: Insere(fila, pid); Retira(fila, pid); Instituto d e Informática -UFRGS

Exemplo (simples) de implementação

Sistemas Operacionais 10 struct desc_proc{ char estado_atual; int pid; unsigned inicio_memoria; unsigned tamanho_mem; struct arq arq_abertos[20]; unsigned tempo_cpu;

unsigned proc_pc; unsigned proc_sp; unsigned proc_acc; unsigned proc_rx;

struct desc_proc *proximo; }

struct desc_proc

tab_desc[MAX_PROCESS];

struct desc_proc *desc_livre; struct desc_proc *espera_cpu; struct desc_proc *usando_cpu; struct desc_proc *bloqueados; /* Inicialização*/

for (i=0; i < MAX_PROCESS; i++) tab_desc[i].prox = &tab_desc[i+1]; tab_desc[i].prox = NULL; desc_livre = &tab_desc[0]; espera_cpu= NULL; usando_cpu= NULL; bloqueado = NULL;

Estrutura de dados Inicialização

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Estudo de caso: processos em Unix

Inicialização



Chamadas de sistema básicas

■ exec( ) : possui uma série de variantes ■ wait ( ) : possui uma série de variantes ■ exit ( )



Sistema conhecido como fork-exec

Todo processo tem um pai

■ A exceção (que confirma a regra) é o processo sched (pid=0) criado na

inicialização do sistema Sistemas Operacionais 11 Instituto d e Informática -UFRGS

Inicialização de uma máquina

Sistema de bootstraping

■ Carregar o sistema operacional e passar o controle para ele

■ Núcleo: tipicamente é uma imagem binária (e.g vmlinuz)

■ Programas de sistema: lidos do disco (precisa driver + sistema de arquivos) 

Processador no processo de power-on ou reset

■ Inicia sempre no modo núcleo

■ Registrador PC recebe um valor específico ■ Corresponde ao endereço de uma ROM

■ Código de diagnóstico e reconhecimento dos dispositivos do sistema

■ Desvia para programa de carga

■ Sistemas embarcados: imagem do núcleo está em ROM ou EPROM ■ Sistemas convencionais: imagem do núcleo está no disco

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Exemplo: mundo PC

2. Desvio para o dispositivo de boot 3. Coloca carregador na RAM (eg.

Lilo, grub, carregador do Windows) 4. Passa o controle para o carregador 5. Carrega a imagem do núcleo 6. Passa controle para o núcleo

a. Inicializa sistema operacional b. Criação do primeiro processo c. Passa para modo usuário 7. Espera inicio de sessão de

trabalho

Master Boot Record - MBR

MBR

Carrega o carregador

Carrega o sistema operacional Carrega MBR

Os códigos são carregados na RAM para serem executados

Após o passo 7, só via chamada de sistema ou interrupção de hardware para passar para o modo núcleo.

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Chamada de sistema fork

Criação de um processo



O processo filho é criado a “imagem e semelhança” do processo pai

■ Inclui a área de pilha e de dados (globais)

■ Otimização copy-and-write Sistemas Operacionais 14 fork( ) P_pai fork( ) P_pai fork( ) P_filho Não executado

fork( ) tem dois retornos Pai pid do filho Filho zero Instituto d e Informática -UFRGS A . C arissimi -3-set -1 7

/* Orion Lawlor's Short UNIX Examples, [email protected] 2004/9/5 Shows how to use fork() in a UNIX program.

*/

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>

#include <sys/types.h> /* for pid_t */ #include <sys/wait.h> /* for wait */ void doWork(char *) {

snipped code }

int main() {

/*Spawn a new process to run alongside us.*/ pid_t pid=fork();

if (pid==0) { /* child process */ doWork("child"); exit(0); }

else { /* pid!=0; parent process */ doWork("parent");

waitpid(pid,0,0); /* wait for child to exit */ } return 0; } Instituto d e Informática -UFRGS

Chamada de sistema exec



Executada por um dos dois processos (pai ou filho) para substituir o

espaço de memória do processo por um novo

■ Tipicamente executado pelo filho

■ Carrega um arquivo binário (executável) na memória e inicia a execução dele

fork( ) Ppai fork( ) Ppai fork( ) exec()

Pfilho _Novo Pfilho

Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais II 17 A . C arissimi -3-set -1 7

/* Orion Lawlor's Short UNIX Examples, [email protected] 2004/9/5 Shows how to fork()/exec() a child process, in this case

simply a shell. fork/exec is more complicated, but much more flexible and secure than using "system()" to run a process. */

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>

#include <unistd.h> /* for fork */ #include <sys/types.h> /* for pid_t */ #include <sys/wait.h> /* for wait */ int main()

{

/*Spawn a child to run the program.*/ pid_t pid=fork();

if (pid==0) { /* child process */

static char *argv[]={"echo","Foo is my name.",NULL}; execv("/bin/echo",argv);

exit(127); /* only if execv fails */ }

else { /* pid!=0; parent process */

waitpid(pid,0,0); /* wait for child to exit */ } return 0; } Instituto d e Informática -UFRGS

Chamadas de sistema exit e kill



Chamada exit serve para terminar o processo

■ Possui um valor de retorno que é passado para seu processo pai ■ e.g.: exit(0); exit(-1)



Quando um processo termina, o núcleo libera os recursos usados

pelo processo

■ e.g.: memória física e virtual, arquivos abertos, buffers de E/S, PCB, etc 

Um processo pode terminar outro processo usando a chamada kill

■ É um término involuntário causando por

■ Processo ultrapassou os recursos que poderia alocar ■ Tarefa que executa não é mais necessária

■ Processo pai está terminando e o filho não é autorizado a seguir sozinho ■ Realizou uma situação de erro (fatal)

Sistemas Operacionais 18 Instituto d e Informática -UFRGS

Término de processos em Unix

 Processo em primeiro plano (foreground) ■ Interação com usuário

■ O término do pai, provoca término dos

filhos

 Processo em segundo plano (background): ■ execução de tarefas concorrentes

(daemons)

■ No término do processo pai, o processo init “herda” os processos filhos

■ Processo init é a raiz da hierarquia e

é “imortal”

■ O init (pid=1) é criado pelo sched

(pid=0) Sistemas Operacionais 19 shell fork exec prog1 pid:424 pid:512 pid:512 shell Prog 1 shell fork exec prog1 pid:424 pid:512 pid:512 shell Prog 1 %prog1 & %prog1 Instituto d e Informática -UFRGS

Chamada de sistema wait



Empregada pelo processo pai para esperar a conclusão do

processo filho



Processo zumbi

■ Processo filho que já terminou, mas ainda existe na tabela de processos do

sistema até o processo pai recuperar seu código de saída (exit)

■ No momento que pai executa wait o PCB do filho é liberado

Sistemas Operacionais 20 fork( ) exec( ) wait( ) exit( ) Término pai pai filho (opcional) exit( ) Término filho

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d

e Informática

-UFRGS

Processos no sistema Windows



Procedimento similar ao mundo Unix, mas com particularidades

■ Possui muitos parâmetros para descrever o comportamento do filho

■ Segurança, herança ou não recursos, código a ser executado, etc...

■ CreateProcess() é implementada por diferentes funções internas que

variam entre versões Windows



Quem executa Create pode passar o identificador de um processo

que será o processo pai do que está sendo criado

■ Quebra a noção de hierarquia de processos

■ Os processos Unix não “deserdam” seu filhos assim

Sistemas Operacionais 21 Instituto d e Informática -UFRGS

Leituras adicionais

 Oliveira, R.; Carissimi, A.; Toscani, S.; Sistemas Operacionais (4aedição).

Série Livros Didáticos – INF/UFRGS – vol 11. Porto Alegre. Editora Bookman. 2010.

■ Capítulo 2 (seções 2.1 a 2.5) e Capítulo 4 (seção 4.1)

 Silberchatz, A.; Galvin, P.; Gagne, G.; Operating System Concepts (8thed),

John Wiley & Sons, 2009. (ou edições anteriores)

■ Capítulo 3 (seção 3.1, 3.2 e 3.3)

 Tanenbaum, A.;. Sistemas Operacionais Modernos (3aedição). São Paulo.

Editora Prentice-Hall, 2010. ■ Capítulo 2 (seção 2.1) 22 Sistemas Operacionais Instituto d e Informática -UFRGS

Espaço de endereçamento



Conjunto de endereços que um processo pode usar

■ Faixa de 0 a 2n-1_{, onde n é a capacidade de endereçamento do processador}

Endereço de retorno Parâmetros de funções Variáveis locais Alocação dinâmica de memória Variáveis globais Código a ser executado PC SP Pilha Texto (código) Dados heap (monte) Espaço de endereçamento (lógico) 0 2n_-1 Instituto d e Informática -UFRGS

Espaço de endereçamento e processo

Modelo teórico

■ Na prática, o processo ocupa apenas o necessário e compartilha a memória física através da noção de memória virtual (estudado mais tarde)



Para executar, um processo precisa estar na memória AND o

processador apontar para o seu espaço de endereçamento

PC SP Pilha Texto (código) Dados heap (monte) 0 2n_-1 Pilha Texto (código) Dados heap (monte) 0 2n_-1 Processo 1 Processo 2 Registradores físicos do processador

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Multiprogramação e chaveamento de contexto

 Fornece a ilusão que executam simultaneamente, mas estão alternados

■ Exceção: se houver mais de uma CPU física (ou core)

Sistemas Operacionais 25

Escalonador sistema operacional ●●● PC SP P₁ PC SP P₂ PC SP P_n PC SP CPU virtual CPU física Chaveamento de contexto Sai Processo i SPi= SP PC_i= PC Entra Processo j SP = SPj PC = PCj (há outras informações: GPRs, estados, etc que são salvos e recuperados) Instituto d e Informática -UFRGS

Modelo de três estados



Um processo passa a ter três estados básicos*:



Escalonamento

■ Política para decidir qual processo sai de ready para running ■ Define o momento de como e quando são feitos as trocas de contexto

Sistemas Operacionais * Modelo ainda está incompleto! Há mais estados!! 26

apto execução

bloqueado criação

término Solicitação de E/S ou sincronização A espera de:

Conclusão de E/S Sincronização Término de E/S ou ocorrência de

evento de sincronização A espera para usar a CPU