Sistemas Operacionais Processos e Threads. Thiago Leite

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Sistemas Operacionais

Processos e Threads

Thiago Leite

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Processos e Threads

• Processo

• Programa em execução

• Todo processo é um programa?

• Mais: o programa é apenas parte do estado.

• Menos: programas podem gerar vários

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Processos e Threads

• Abstração de processo

• permite execução de múltiplas tarefas

(multiprogramação)

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Processos e Threads

• Cada processo possui um espaço de

endereçamento

• recursos de auxílio ao processo

• O processo e seu respectivo espaço de

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Processos e Threads

• Espaço de endereçamento • Programa executável • Dados do programa • Registradores • Arquivos abertos • Alarmes pendentes

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Processos e Threads

• _{Segmentos de um processo Unix} • Pilha

• conjunto de instruções de uma sub-rotina • _Heap

• extensão da memória

• _{BSS (Block Memory Starting with Symbol)} • _{variáveis não inicializadas}

• Data

• variáveis inicializadas • _Texto

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Processo Unix

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Processos e Threads

• Multiprogramação

• vários processos em memória

• vários fluxos de execução

• processos desconhecem o momento que serão

executados

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Multiprogramação

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Processos e Threads

• Sistema operacional lida com a Tabela de

Processos

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Processos e Threads

• Árvore de Processos

• Pode criar um ou mais processos filhos

• Processos filhos também podem criar processos

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Árvore de Processos

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Processos e Threads

• Hierarquias de processos

• Em Unix todos os processos compõe uma árvore com a raíz o INIT

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Processos e Threads

• Chamadas de sistema de gestão de processos

• criação e término de processos

• requisitar mais memória ou esperar o término de

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Processos e Threads

• Momentos em que os processos geralmente são

criados

• Início do sistema

• Execução de uma chamada de sistema de

criação

• Requisição do usuário

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Processos e Threads

• Processos podem ser criados em

• Foreground

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Processos e Threads

• Processos em Foreground

• processos sujeitos a interação do usuário

• usualmente processos do terminal de comandos

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Processos e Threads

• Processos em Background

• daemons em Unix

• Disk And Execution MONitor

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Processos e Threads

• Fluxo de dados para processos em Unix

• entrada padrão

• saída normal

• saída com erro

Processo entrada

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Processos e Threads

• Término de processo

• Saída normal (voluntário)

• Saída por erro (voluntário)

• Erro fatal (involuntário)

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Processos e Threads

• Comunicação entre processos

• processo envia saída para entrada de outro

processo

• dois processos solicitando o mesmo recurso

• um processo depende de outro para realizar

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Pipe Unix

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Processos e Threads

• Processos em Unix

• PID (Process IDentifier)

• identificação de um processo

• número utilizado para manipular os processos

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Processos e Threads

• Processos em Unix

• Possui um UID (User IDentifier) associado

• Vários UIDs podem pertencer a um GID

(Group IDentification)

• Sistemas baseados em Unix possuem um UID

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Processos e Threads

• Outros elementos de processos em Unix

• _{Ambiente de execução (Ex: PATH)}

• Diretório de trabalho

• _{Instruções do programa}

• Registradores e Pilha de instruções

• _{Heap (alocação de memória dinâmica)}

• Descritores de arquivos

• Ações de sinais

• _{Bibliotecas compartilhadas}

• _{Sistema de comunicação entre processos (filas de mensagens, pipes ou memória}

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Informações sobre Processos

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Processos e Threads

• A Tabela de Processos em sistemas Unix-like

usualmente é representada por /proc

• Em Linux procfs é um sistema de arquivos virtual

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Tabela de Processos

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Processos e Threads

• Significado de alguns elementos de /proc

• cmdline - comando e opções associados ao processo

• cwd - diretório de trabalho do processo.

• environ - variáveis de ambiente criadas pelo processo

• exe - executável do processo

• fd - descritores de arquivos utilizados

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Ciclo de vida de um processo

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Processos e Threads

• Estados principais de um processo

•

Em execução (realmente usando a CPU)

•

Pronto (executável; esperando seu momento)

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Ciclo de vida de um processo

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Processos e Threads

• O momento das interrupções depende do tipo de

sistema a adotar

• Preemptivo (processos podem ser interrompidos

sem consentimento)

• Não-preemptivo (processos que decidem o

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Processos e Threads

• Sistema preemptivo

• Escalonador (invisível ao processo)

• Interrupções

• Inicialização

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Processos e Threads

• Escalonador

• Utiliza a Tabela de Processos

• Manipulador de processos (process handler)

• Salvar registradores

• Alterar ponteiro da pilha

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Processos e Threads

• Escalonamento

1. Hardware guarda contador de programa atual 2. Hardware carrega o novo contador de programa 3. Rotinas Assembly salvam os registradores

4. Rotinas Assembly carregam novos registradores 5. Serviço de interrupção em C carrega os buffers

6. Escalonador decide quem será o próximo a executar

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Processos e Threads

• Principais métodos de escalonamento

• FIFO (First-In-First-Out) ou FCFS (First-Come-First-Served) • primeiro a chegar em pronto é o primeiro a ser executado

• SJF (Shortest Jog First), SPN (Shortest Process Next) e SRT (Shortest Remaning

Time)

• menor tarefa será executada primeiro • Por prioridade

• processos são associados a prioridades. Processos com prioridades iguais

obedecem ao FIFO.

• Round-Robin ou circular

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9.2 / SCHEDULING ALGORITHMS 415 First-come-first served (FCFS) 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 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 A B C D E A B C D E A B C D E Round-robin (RR), q ! 1 Round-robin (RR), q ! 4 Shortest process next (SPN) Shortest remaining time (SRT) Highest response ratio next (HRRN) Feedback q ! 1 Feedback q ! 2i

Figure 9.5 A Comparison of Scheduling Policies

The normalized turnaround time for process Y is way out of line compared to the other processes: the total time that it is in the system is 100 times the required process-ing time. This will happen whenever a short process arrives just after a long process. On the other hand, even in this extreme example, long processes do not fare poorly. Process Z has a turnaround time that is almost double that of Y, but its normalized residence time is under 2.0.

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Algoritmo de tarefa mais curta (SJF)

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M09_STAL6329_06_SE_C09.QXD 2/21/08 9:32 PM Page 415

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Algoritmo por Prioridade

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Exemplo de Escalonamento por

Prioridade

Processos de menor prioridade apenas serão escalonados se não houver outros processos de maior prioridade

Processo B possui maior prioridade de execução

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Algoritmo Round-Robin ou Circular

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M09_STAL6329_06_SE_C09.QXD 2/21/08 9:32 PM Page 415

Escalonamento Round-Robin

com diferentes tempos de preempção

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Processos e Threads

• Métodos compostos de escalonamento

• Fila Múltipla (Multilevel Queue)

• divide a fila de prontos em várias filas separadas, com

base em alguma propriedade do processo. Cada fila possui seu próprio algoritmo de escalonamento

• Fila Múltipla com Realimentação (Multilevel Feedback

Queue)

• identifica dinamicamente o comportamento de cada

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Algoritmo Fila Múltipla

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Escalonador com Fila Múltipla

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Processos e Threads

• Tipos de processos • CPU Bound

• Uso intensivo da CPU

• Poucas operações de Entrada/Saída

• Pode monopolizar a CPU dependendo do tipo de algoritmo de

escalonamento utilizado

• I/O Bound

• Orientado a Entrada/Saída

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Cenários de uso da CPU

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Processos e Threads

• Threads

• “Miniprocessos”

• Múltiplas atividades simultâneas

• Compartilhamento do espaço de endereçamento

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Vida e Morte

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Processos e Threads

• Exemplo do uso de Threads

• Editor WYSIWYG (What You See Is What You Get)

• Edição e resultado simultâneo

• O Microsoft Word e BrOffice.org são exemplos

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Editor de texto com três Threads

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Servidor Web Multithread

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Processos e Threads

• Condições de corrida

• processos que compartilham dados

• ex: spool de impressão

• dois processos acessam a mesma região e

ocasionalmente entrem em conflito

• ex: dois processos acham o mesmo espaço

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Condição de corrida

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Processos e Threads

• Exclusão mútua

• apenas um processo poderá acessar

determinado recurso por vez

• o código de um processo que faz uso de recurso

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Processos e Threads

• Condições para acesso a dados compartilhados

• dois processos nunca podem estar

simultaneamente em suas regiões críticas

• nenhum processo fora de sua região crítica

poderá bloquear outro processo

• nenhum processo deverá esperar eternamente

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Condição de corrida

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Processos e Threads

• Espera ociosa

• espera para que um processo deixe sua região

crítica e possa realizar o mesmo

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Processos e Threads

• Semáforos

• proposto por Edsger Dijkstra em 1965

• utilizada em sistemas multiprogramados

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Processos e Threads

• Operações sobre semáforos são atômicas

• inicialização

• operação wait

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Processos e Threads

• Inicialização de semáforo

• recebe valor inteiro indicando quantos

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Processos e Threads

• Operação wait em semáforos

• decrementa o valor do semáforo

• se esse possuir valor 0, esse é colocado em

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Processos e Threads

• Operação signal em semáforos

• se houver um processo em espera ociosa, esse

é acordado

• se não houver processo em espera ociosa, o

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Processos e Threads

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Processos e Threads

• Mutex

• tipo mais simples de semáforo

• semáforo binário, onde o recurso está disponível

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Condição de corrida

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Revisão

• Processo • Concorrência • Multiprogramação • _{Espaço de endereçamento} • Tabela de processos • Imagem do núcleo • Árvore de processos • Subprocessos

• Chamadas de sistema (system calls) • Criação de processos • Foreground • Background • PID • Processos em Unix • UID • _GID • ps • kill • Término de processo • Shell Unix • Hierarquias de processos

• Comunicação entre processos

• Estados de um processo • Diagrama de estados de processo • Estados de um processo em Unix • Escalonador • Manipulador de processos • _{Algoritmos de Escalonamento}

• Otimização do uso da CPU

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Laboratório

• Comandos Bash Shell

• ls - listar o conteúdo de um diretório ou

informações sobre um arquivo $ ls

• cd - navegar entre diretórios

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Laboratório

• cat - exibe e concatena arquivos

$ cat arquivo1 arquivo2

• grep - filtra uma entrada por uma string

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Laboratório

• Comandos Bash Shell

• echo - imprime uma mensagem

$ echo “Ola Mundo”

• rm - remove arquivos do sistema

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Laboratório

• sudo - solicitar execução em modo Super

Usuário

$ sudo comando

• su - autenticar-se como Super Usuário

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Laboratório

• Uso do pipe ( | ) em Bash Shell

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Laboratório

• ; - finalização de um comando

comando1 ; comando2

• \ - continuação de um mesmo comando em

várias linhas comando \

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Laboratório

• Redirecionamento de entradas e saídas em Bash Shell

• < - entrada padrão comando < arquivo_com_argumentos • > ou >> - saída padrão comando > arquivo_saida • 2> ou 2>> - saída de erro comando 2>> arquivo_erro_apendice

• 2>&1 - saída padrão e de erros

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Laboratório

• Comandos em Bash Shell

• & - execução de um comando em segundo plano (background)

comando &

• jobs - apresenta comandos em background

[1]+ Running comando &

• fg - traz processo novamente para o foreground

fg 1

• bg - leva um processo para background

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Laboratório

• Comandos em Bash Shell

• ps - obtém informações sobre os processos do

sistema ps aux

• kill - envia um sinal para um determinado PID