PCB - Process Control Block

Sistemas

Operacionais

Processos e Threads

Eng. SERGIO VILLARREAL

Objetivos

 Entender o

conceito de processo

importância e como é implementado pelo SO.

 Identificar os

estados

suas transições.

 Estabelecer como se decide que processo ocupará o

processador e por quanto tempo

 Entender os desafios que a

concorrência

Programa

 Sequencias de instruções compiladas em

linguagem de máquina



Conceito estático

Processo ou tarefa

 Programa em execução.



Conceito dinâmico

 Possui um estado interno bem definido e interage

com outras entidades

Processo - Definições



Instância de um programa em execução



Ambiente de execução de um programa

 Container que armazena todas as informações

necessárias para executar ou continuar a execução de um programa

PCB - Process Control Block



Estrutura de dados

utilizada pelo

sistema operacional para

representar

e

implementar os processos

 Descritor mantido pelo núcleo do sistema

operacional, para armazenar as informações referentes aos processos ativos

Estrutura de um processo



Contexto de hardware

– Conteúdo dos registradores



Contexto de software

– Nome, identificador, dono e outras informações

Estrutura de um processo

Espaço de memória

Pilha

Código Dados

Contexto



Estado interno

de um

processo

em

um momento determinado

 Vai mudando conforme a tarefa vai sendo

executada

 Inclui informações sobre o estado interno do

processador e sobre os recursos utilizados pela tarefa

Troca de Contexto



Operações realizadas para retirar um

processo da CPU e colocar outro em

execução

 Consiste em salvar a informação de contexto do

Estados de um processo

 Novo: já foi criado, tem PCB porém ainda não foi encaminhado para a fila de prontos

 Pronto: esperando a CPU  Execução: utilizando a CPU

 Espera: esperando um evento ou que seja completada uma operação de E/S

 Encerrado: Completou sua tarefa, não utilizará mais a CPU, porém ainda tem PCB

Tempo Total de Execução

–

Tempo de

processamento

(Tempo de CPU)

–

Tempo de espera de

operações de E/S

–

Tempo de espera na

fila de prontos

(Escalonamento)

Classificação de Processos

Pela Hierarquia

–

Independentes

Classificação de Processos

Pela Interação

–

Foreground:

Primeiro Plano

–

Underground:

Segundo Plano

Classificação de Processos

Pelo uso de recursos

–

CPU Bound:

Orientado a processamento

ATIVIDADES

 Pesquise sobre a evolução do conceito de tarefas e processo

ao longo da história dos sistemas operacionais

 Enumere todas as atividades que devem ser realizadas em

uma troca de contexto e qual a parte do sistemas operacional que deve executa-la

 Que tipo de decisões deve tomar o despachante?

 Escolha um exemplo de processo e descreva seu ciclo de

vida (Estados e transições)

Escalonamento de

Processos

Escalonamento

Decisão

sobre

qual será o próximo

processo

da fila de prontos a ocupar a CPU

e por

quanto tempo

Escalonamento



Orientado por

políticas



Difícil de implementar porque nenhum

algoritmo é perfeito



Existem

diversos critérios e algoritmos

que são estudados separadamente mas que

são utilizados em forma conjunta nos

Critérios



Eficiência:

Maior

taxa de utilização

da CPU



Throughput:

Maior quantidade de

processos

finalizados

por unidade de tempo



Waiting Time:

Menor

tempo de espera



Turnaround:

Menor

tempo de execução.

Tempo

transcorrido desde a criação do processo até a

finalização do seu processamento

Algoritmos de Escalonamento



Colaborativos

– Processo decide quando liberar o processador



Preemptivos

Algoritmos de Escalonamento



Colaborativos

– FCFS: Fisrt Come First Served

– SJF: Shortest Job First



Preemptivos

– RR: Round Robin

– SRTF: Shortest Remaining Time Fisrt

FCFS:

First Come, First Served (FIFO)

Escalona os processos na ordem de

chegada à fila de prontos

• Não utiliza quantum (Colaborativo) e não leva em conta as características nem prioridades das tarefas

• É a forma mais elementar e sua principal vantagem é a simplicidade

SJF:

Shortest Job First

Escalona primeiro os processos mais

curtos

• Proporciona o menor tempo médio de espera e de execução

• Maior dificuldade: estimar a priori o tempo de duração de cada tarefa

• Pode provocar starvation das tarefas mais longas o que se resolve com mecanismos de envelhecimento das tarefas

RR:

Round Robin

(Por Revezamento)

• Versão preemptiva do FCFS (Quantum)

• Menos eficiente que o FCFS para tarefas em lote

• Menor tempo de resposta para aplicações

interativas por distribuir melhor a CPU ao longo do tempo

SRTF:

Shortest Remaining Time Fisrt

– Versão preemptiva do SJF (Quantum)

– Menor tempo restante primeiro

– Facilita a estimação do tempo que será utilizado no próximo quantum com base no histórico das últimas ativações do processo

– Favorece às aplicações com muitas operações E/S que não utilizam totalmente seu quantum

Escalonamento por prioridades

 Modelo genérico que permite implementar diversos

algoritmos inclusive os já vistos

 A cada tarefa é associada uma prioridade

 Os critérios podem ser fatores internos ou externos

da tarefa aplicados de forma combinada

 Pode ser aplicado em forma preemptiva ou

colaborativa

 Combinado com envelhecimento de tarefas para

Escalonamento por prioridades



Fatores externos

– Informadas pelo usuário ou pelo administrador

– Ex: Classe do usuário, valor pago, importância



Fatores internos

– Obtidos ou estimados pelo escalonador

– Ex: idade da tarefa, tempo estimado de execução, interatividade, uso de recursos

Comunicação e

Sincronização de

Processos

Comunicação entre Processos

 Tarefas cooperantes precisam trocar informações entre si  Se existe memória compartilhada a comunicação é feita

utilizando variáveis globais

 Se não existe memória compartilhada ou as tarefas

residem em computadores diferentes a comunicação deve ser feita através do núcleo do sistema operacional mediante chamadas ao sistema

 Os mecanismos de comunicação oferecidos pelo SO são

conhecidos como IPC (Inter Process Communication)

Mecanismos de IPC



Síncronos

– O envio e a recepção da mensagem bloqueia as tarefas envolvidas até a finalização da comunicação



Assíncronos

– Não bloqueante

Sincronização de Processos

Processos Concorrentes

compartilham

recursos como registros, arquivos,

dispositivos de E/S ou memória.



Podem gerar conflitos e inconsistências

Sincronização de Processos

Condição de Disputa

ou

Race Conditions

:

Quando dois processos desejam utilizar o mesmo recurso ao mesmo tempo

 Não são erros do código e somente se manifestam

na execução se acontecem determinadas condições

Exclusão Mútua



Enquanto um processo acessa os

recursos os outros devem esperar

 Dois programas não podem executar sua região

crítica simultaneamente

 Existem soluções de hardware e de software para

implementar a exclusão mútua.

 Todas exigem que o programador delimite as

regiões críticas

Exclusão Mútua



Região Crítica

: Parte do programa

que acessa os recursos compartilhados



Protocolo de Entrada

:

Soluções de Hardware

 Desativação das Interrupções

– O programa desativa as interrupções antes de entrar na região crítica e as ativa ao sair.

– Mecanismo perigoso porque pode dar muito poder para um programa ineficiente ou malicioso

 Instrução Test and Set

– Suportada pelo processador

– Instrução em código de máquina capaz de testar e setear uma variável de forma atômica

– Mecanismo rápido porém inconveniente para programas de usuário por utilizar espera ocupada

Soluções de Software

 Semáforos

– Variável do SO associada a uma região crítica. Contem a fila de processos que desejam entrar a região critica

– Operação para entrar na fila. Bloqueia o processo se o recurso não está livre.

– Operação para liberar o recurso. Não é bloqueante

 Monitores

Impasse ou Deadlock

 Situação em que um processo para de responder

porque está esperando um evento que nunca acontecerá

 Acontece em sistemas que utilizam exclusão mútua,

com recursos não preemptivos, que permite pose e espera, e onde pode acontecer espera circular.

 Tratamento

– Ignorar: Evitar o custo da prevenção

– Prevenção: Mecanismos para evitar uma das quatro condições

– Detecção e Correção: Para evitar que o sistema todo pare, o processo que causou o impasse é reiniciado

ATIVIDADES

 Quais dos mecanismos de exclusão mútua apresentados

utilizam espera ocupada e qual é sua desvantagem?

 Pesquise sobre os problemas clássicos de sincronização:

– Produtor consumidor

– Leitor escritor

– Jantar dos filósofos

 Pesquise sobre os mecanismos de sincronização oferecidos

pelas linguagem de programação que você utiliza

Threads

Eng. SERGIO VILLARREAL

Threads - Motivação



Primeiros sistemas

uma tarefa por processo

 Na medida em que as aplicações se tornaram mais complexas

esta limitação se tornou inconveniente, evidenciando a necessidade de suportar mais de uma tarefa no mesmo contexto

 Exemplos:

Threads - Definições



Recurso que permite que um processo se

divida a si mesmo

em várias

tarefas

que são executadas

simultaneamente

 Processos dentro de um processo

 Linhas de execução independentes de um

processo

Threads - Características

 Threads de um mesmo processo

compartilham

próprio

 Podem ser implementadas pela aplicação ou

contar com suporte do sistema operacional e do hardware

 Threads são representadas no núcleo do SO

Threads - Operação

 Threads compartilham processador da

mesma forma que os processos

 Passam pelos mesmos estados  Devem ser escalonados

 Nas trocas de contexto somente deve ser

guardado o contexto de hardware

 Se comunicam através da memoria

compartilhada sem intervenção do SO

Threads - Vantagens

 São mais fáceis de criar e terminar (até 100 vezes

mais rápido)

 Trocas de contexto rápidas

 Facilitam o compartilhamento de recursos entre

tarefas (Mesmo contexto)

 Permitem o processamento paralelo em

Ambiente Multithreads

 Não existem processos associados a programas, apenas

threads

 O processo tem pelo menos um thread

 O programador divide o programa em sub-rotinas

assíncronas (podem ser executadas concorrentemente) e associa cada uma a um thread

 Inicialmente é executado o thread 0 que é o programa principal

 Quando o programa chama as sub-rotinas são criados os

threads

Tipos de Threads

 Threads de usuários:

– Thread executando dentro de um processo

– Corresponde a cada tarefa do processo

 Threads de núcleo

– Fluxos de execução reconhecidos e gerenciados pelo sistema operacional

– Correspondem a tarefas que o núcleo deve realizar

Implementação de Threads



Modelo N:1

– Thread implementados no nível do usuário



Modelo 1:1

– Thread implementados no nível do núcleo



Modelo N:M

– Thread híbridos que combinam as características dos dois anteriores

Threads Modelo N:1

 ULT –User Level Threads – Escalonados pelo programador

 Suportados por bibliotecas da linguagem de programação

 O núcleo não sabe da existência dos threads, percebe um único fluxo de execução

 N threads do processo são mapeados em apenas um thread

de núcleo N:1

Threads Modelo N:1

Threads Modelo 1:1

 KLT –Kernel Level Threads – Escalonados pelo núcleo

 Suportados pelo núcleo do sistema operacional

 O núcleo sabe da existência dos threads, e gerencia o fluxo de execução de cada um

 Cada thread no processo é mapeado em um thread do

núcleo 1:1

 Favorece às aplicações com muitas operações E/S já que apenas o thread é bloqueado na espera continuando a execução do processo e permite a execução paralela em sistemas multicore

Threads Modelo 1:1

Threads Modelo N:M

 Modelo híbrido

 N threads do processo são mapeados em um número

menor de threads de núcleo N:M

 Combina as vantagens dos dois modelos

 Favorese às aplicações interativas sem perder a

escalabilidade

ATIVIDADES

 Pesquise sobre tecnologias de hardware que dão suporte à

implementação de threads e determine que relação guardam com o sistema operacional

 Pesquise sobre o suporte ao uso de threads oferecidos pelas

linguagem de programação que você utiliza

 Faça considerações sobre como a utilização de threads

permite criar programas mais eficientes

 Elabore uma tabela comparando as características dos

modelos de implementação dos threads

 Determine de que forma afeta ao programador a forma de

implementação dos threads

Fim Apresentaçaõ