Sistemas Operativos: Processos

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Sistemas Operativos: Processos

Pedro F. Souto ([email protected])

March 22, 2011

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Sumário

Processos

Conceito de Processo Sequencial Multiprogramação

Chamadas ao Sistema Rotinas Assíncronas

Implementação de Processos Leitura Adicional

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Processo (Sequencial)

Representa um programa em execução

int main(int argc, char *argv[], char* envp[])}

0x0

args

data text heap stack

args Argumentos passados na linha de comando e variáveis de ambiente.

stack Registos de activaçãocorrespondente à invocação de funções.

heap Dados alocados dinamicamente usando malloc.

data Dados alocados estaticamente pelo compilador (p.ex. astring“Hello, World!”)

text Instruções do programa.

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Stack

I Região de memória que“pode ser acedida apenas” numa das suas extremidades, usando as operaçõespushepop (Fig. 1).

Stack Pointer

pop() push(n)

Stack Pointer Stack Pointer

Fig. 1

f()

g() h()

Fig. 2

I Este tipo de acesso é particularmente adaptado para implementar chamada a funções (Fig. 2).

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Uso da stack em funções de C

I Em C, o compilador usa astack para:

I passar os argumentos;

I guardar registos do processador;

I guardar o endereço de retorno;

I implementar as variáveis locais;

I passar o valor de retorno;

duma função.

I Cada compilador estabelece uma convenção sobre como esta informação é guardada nastack: a

estrutura correspondente designa-se porstack frame ouactivation record.

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Stack Frame do 386

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Unix/Linux são SOs multiprocesso (XP,Vista,...)

i02cu0108:~> ps ax | more

PID TTY STAT TIME COMMAND

1 ? S 0:05 init

2 ? SW 0:00 [kflushd]

3 ? SW 0:03 [kupdate]

4 ? SW 0:00 [kpiod]

5 ? SW 0:00 [kswapd]

82 ? S 0:00 /sbin/portmap 139 ? S 0:00 /sbin/syslogd 141 ? S 0:00 /sbin/klogd 147 ? S 0:00 /sbin/rpc.statd 149 ? SW 0:00 [lockd]

150 ? SW 0:00 [rpciod]

158 ? S 0:00 /usr/sbin/ypbind --more (63)

SOs suportam múltiplos processos (multiprogra- mação) por razões deeficiência,conveniênciae impaciência.

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Multi-processo e eficiência

Problema processos precisam de aceder a dispositivos periféricos de entrada e saída de dados (consola, i.e. o monitor e o teclado, rato, disco, modem, placa de rede, etc):

Parâmetro Tempo

Ciclo do CPU 1 ns (1 GHz) Acesso àcache ~2ns

Acesso à memória ~10 ns Acesso ao disco ~10 ms

Solução quando um processo inicia uma operação de entrada/saída de dados e fica à espera que ela termine, o sistema operativo atribui o processador a outro processo:

quando a operação terminar o periférico gera uma interrupção

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Multi-processo e conveniência

I Utilizadores frequentemente necessitam de usar diferentes programas “ao mesmo tempo”.

I A “especialização” dos programas facilita:

I o seu desenvolvimento;

I a sua reutilização.

I Quanto aimpaciência. . .

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Execução multi-processo (1/2)

I Em sistemas multiprocessador (i), vários processos podem executar ao mesmo tempo: um em cada processador.

I Num sistema uniprocessador (ii), o sistema operativo gere a atribuição do processador aos diferentes processos (o processador é um recurso partilhado pelos diferentes processos):pseudo-paralelismo.

P1 CPU1

MEM P1 CPU2

P1 CPU4

P1 CPU3

(i)

P1 P3 P4

P2

t (ii)

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Execução multi-processo (2/2)

A B

C

D

D C B A Process

switch One program counter

Four program counters

Process

Time

B C D

A

(a) (b) (c)

I O computador é partilhado por 4 processos;

I O SO dá a ilusão de que cada processo executa

isoladamente num CPU, i.e. cada processo executa num CPU virtual.

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Estados dum Processo

I Ao longo da sua existência um processo pode estar em 1 de 3 estados:

running

waiting ready

1

2 3

4

1. CPU atribuído ao processo (pelo SO);

2. CPU removido do processo (pelo SO);

3. processo bloqueia à espera dum evento;

4. ocorrência do evento esperado.

execução(running): o CPU está a executar as instruções do processo;

bloqueado(waiting): o processo está à espera de um evento externo (tipicamente, o fim de uma operação de E/S) para poder prosseguir;

pronto(ready): o processo está à espera do CPU, o qual está a executar instruções de outro processo.

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Processos: Segurança

Espaço de endereçamento disjunto Por omissão o espaço de endereçamento dum processo é disjunto do dos restantes processos, e do espaço de endereçamento dokernel Associação a um utilizador Cada processo está associado a

um utilizador, o seudono, podendo executarapenasas operações permitidas ao seu dono

Chamadas ao sistema O acesso a recursos do SO e ao HW é mediado pelokernel.

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Criação de Processos

I Durante o arranque do SO:

I Normalmente estes processos sãonão -interactivose designam-se pordaemons:

I Alguns executam sempre emkernel space, p.ex.kswapd;

I Outros executam normalmente emuser space, p.ex. o servidor de HTTP (Web) e o servidor de impressão.

I Em alguns SOs, conhecidos pormicrokernel, diferentes serviços são fornecidos por processos especializados.

I Por invocação da chamada ao sistema apropriada.

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Criação de Processos em Unix/Linux

#include <unistd.h>

pid_t fork(void); /* clones the calling process */

I O processo criado (filho):

I executa o mesmo programa que o programa pai;

I inicia a sua execução na instrução que segue afork().

I O processo filho herda do pai:

I o ambiente e “privilégios de acesso a recursos”;

I alguns recursos, incluindo ficheiros abertos.

I Contudo, o processo filho tem os seus próprios

I identificador;

I espaço de endereçamento:

após a execução de fork(), alterações à memória pelopai não são visíveis aofilhoe vice-versa.

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Criação de Processos em Unix/Linux (cont.)

Problema: Como é que se distingue o processo pai do processo filho?

Solução: fork()retorna:

I opiddo filho ao processo pai;

I 0ao processo filho.

if( (pid = fork()) != 0 ) {

parent(); /* this is executed by the parent */

} else {

child(); /* and this by its child */

}

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Hierarquia de processos em Unix/Linux

P1 P1

P2 P3

P4 P5 P6

P2

P3

I Em Unix/Linux há umarelação especial:

I entre o processo pai e os seus filhos;

I entre processos que têm um pai comum (grupo de processos).

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pstree

init-+--acpid +--atd

+--battstat-applet

+--bonobo-activati----{bonobo-activati}

+--cron +--cupsd

+--2*[dbus-daemon]

+--dbus-launch +--dd

+--events/0

+--firefox-bin-+-acroread

| +-7*[{firefox-bin}]

+--gconfd-2

+--gdm---gdm-+-Xorg

| +-x-session-manag-+-gnome-cups-icon

| +-gnome-panel---{gnome-panel}

| +-gnome-terminal-+-6*[bash]

| | +-bash---pstree

[...] [...] [...]

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Execução de programas

Problema: Como é que um processo pode executar um programa diferente do do pai?

Solução: Usando a chamada ao sistemaexecve()

#include <unistd.h>

int execve(const char* filename, char *const argv[], char *const envp[])

0x0 0x0

text1 data1 args1 stack1

heap1

args2 stack2

heap2 data2 text2

I Substitui o programa em execução pelo contido em filename;

I argveenvppermitem especificar os argumentos a passar à funçãomain()do programa a executar.

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Terminação de Processos

I Um processo pode terminar por várias causas:

1. decisão do próprio processo, executando a chamada ao sistema apropriada (directa ou indirectamente, p.ex. por retorno demain());

2. erro causado pelo processo, normalmente devido a um bug, p.ex. divisão por zero ou acesso a uma região de memória que não lhe foi atribuída;

3. decisão de outro processo, executando a chamada ao sistema apropriada (killemPOSIX);

4. decisão do SO (falta de recursos).

I Note-se que um processo pode terminar

voluntáriamente quando detecta um erro, p.ex. um compilador não pode compilar um ficheiro que não existe.

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Mais chamadas ao sistema

#include <unistd.h>

void exit(int status) void _exit(int status) pid_t getpid()

pid_t getppid()

I _exit()termina o processo que a invoca;

I exit()é uma função da biblioteca C (deve usar-se com

#include <stdlib.h>):

I invoca as funções registadas usandoat_exit();

I invoca a chamada ao sistema_exit().

I Após retornar demain(), um processo invocaexit().

I getpid()retorna opiddo processo que o invoca.

I getppid()retorna opiddo processo pai.

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Sincronização com wait()

#include <sys/types.h>

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status)

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

I Suspende a execução do processo até:

I um processo filho terminar (wait());

I o processo filho especificado empidterminar (waitpid());

I statuspermite obter informação adicional sobre o processo que terminou. Nomeadamente, o argumento com que invocou a funçãoexit().

I optionscontrola o modo de funcionamento de waitpid().

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Sincronização com wait(): exemplo

...

int status;

pid_t pid;

...

if( (pid = wait(&status)) != -1 ) { if( WIFEXITED(status) != 0 ) {

printf(‘‘Process %d exited with status %d\n’’, pid, WEXITSTATUS(status));

} else {

printf(‘‘Process %d exited abnormally\n’’, pid);

} }

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Eventos Assíncronos em Processos (Sequenciais)

Eventos Assíncronos (Sinais em Unix/Linux)

Excepções p.ex. divisão por 0, tentativa de acesso a uma posição de memória não válida

Notificação de eventos pelo SO, p.ex., fim duma temporização ou da terminação dum processo filho, pressão dum conjunto de teclas

Comunicação entre processos Em Unix/Linux é possível um processo notificar um outro processo do mesmo dono

Processamento de Eventos Assíncronos

Signal Handlers são as rotinas de processamento de sinais

I Têm que ser registadas nokernelusando uma chamada ao sistema

I Executam assincronamente ao código do processo (semelhante às rotinas de serviço de interrupção)

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Implementação de Processos

I O SO tem que manter para cada processo alguma informação numa estrutura de dados conhecida por process control block (PCB).

I O PCB inclui, entre outra informação:

I O identificador do processo.

I O estado do processo (READY,RUN,WAIT).

I O evento pelo qual o processo está à espera, se algum.

I O estado do CPU (PC, SP e outros registos), quando o SO o retirou do processo, i.e. saiu do estadorunning.

I Ascredenciaisdo processo (incluindo oowner).

I Informação sobre a memória usada pelo processo.

I Informação sobre outros recursos usados (p.ex. ficheiros) pelo processo e o estado desses recursos.

I Os PCBs de todos os processos constituem uma estrutura de dados conhecida porprocess table.

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Comutação de Processos (1/3)

I Acomutação entre processos (process switching), consiste emretirar o CPU a um processo eatribuí-loa outro.

I É uma função fundamental dokernelem SOmultiprocesso.

I Acomutação entre processosinclui:

1. Transferir o estado do processo em execução para a memória (oProcess Control Block);

2. Carregar o processador com o estado do processo que passa para o estado de execução;

I Passar o controlo para o novo processo, possivelmente comutando parauser-mode.

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Comutação de Processos (2/3)

I P₀está no estadoRUN e passa para o estadoREADY:

P1 queue head

null

P2 P3

P0 CPU

P1

CPU P0

null queue head

P2 P3

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Comutação de Processos (3/3)

I A parte do SO que faz a comutação de processos designa-se pordespacho(dispatcher).

I A comutação entre processos é feita em instantes

"oportunos", incluindo:

I chamadas ao sistema(p.ex.,exit(), read());

I interrupções:

I por dispositivos de E/S;

I pelo relógio.

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Processamento de Interrupções

Depende dohardwaree do SO

1. Ohardwaresalva o estado do CPU nastack

2. Ohardwarecarrega o PC com o vector de interrupção 3. A rotina emassembly guarda registos que ohardwarenão

tenha salvado

I Primeira parte da comutação de processos

4. A rotina emassembly inicializa umastack para servir a interrupção (por razões de segurança)

5. A interrupção é servida por uma rotina normalmente em C 6. O despacho é executado para comutar o processo, se

necessário

I Tipicamente, a interrupção altera o estado dum processo deWAITparaREADY

7. A rotina emassembly reinicia o (?novo?) processo

I Segunda parte da comutação de processos

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Leitura Adicional

I Secções 2 e 2.1 de

Modern Operating Systems, 2nd Ed.

I Secções 3.1, 3.2, 3.3, 3,4 e 3.6 de

José Alves Marques e outros, Sistemas Operativos, FCA - Editora Informática, 2009

I Outra documentação (transparências e enunciados dos TPs):

viahttp://web.fe.up.pt/~pfs/