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Luiz Affonso Guedes 1

DCA-108 Sistemas Operacionais

Luiz Affonso Guedeswww.dca.ufrn.br/~affonso

[email protected]


Capítulo 2

Multiprogramação


❒ Caracterização de um SO Moderno❒ Necessidade de Multiprogramação❒ Conceito de Processo❒ Ciclo de vida de processo❒ Estados de processo❒ Thread

Conteúdo


Objetivo

❒ Apresentar de forma sistemática os principais conceitos associados com multiprogramação.


Recordando❒ Cenário Atual

❍ Uma ou mais CPUs, controladores de devices conectedos via uma barramento comum, acessando memórias compartilhadas.

❍ Execução concorrente de CPUs e devices competindo por recursos.


Os 4 componentes de sistema computacional

Recordando

Nosso objetivode estudo

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Objetivos de sistema operacional❒ Executar programas de forma conveniente

para o usuário.❒ Gerenciar os recursos de software e

hardware como um todo.❒ Utilizar os recursos de hardware de forma

eficiente e segura.

Recordando


Conclusão da Revisão

❒ Para se construir SO eficientes, há a necessidade Multiprogramação!


Objetivos da Multiprogramação❒ Tornar mais eficiente o aproveitamento dos recursos

do computador.❒ Execução “simultânea” de vários programas.

❍ Diversos programas são mantidos na memória.❒ O próprio SO é um programa!


Conseqüências da Multiprogramação

❒ Necessidade de controle e sincronização dos diversos programas.

❒ Necessidade de se criar conceitos e abstração novas❍ Modelagem ❍ Implementação


Conceitos Fundamentais

❒ Processos❒ Interrupção❒ Sincronização, comunicação, controle e

proteção entre processos


Definição de Processo❒ Processo é o mesmo de Programa?❒ Programa

❍ Estrutura estática• Instruções + Dados

❒ Processo❍ Entidade Ativa❍ Instância de um Programa em execução.❍ Processos = Programa + Identificador + Entrada

+ Saída + Estado❍ Dois Processos podem executar instâncias

diferentes do mesmo Programa.

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Estrutura de Processo na Memória


Definição de Processo❒ Processo é então um programa em

execução!❒ O SO trata com processos e não com

programas.❒ Tipos de Processos

❍ Do usuário ❍ Do SO, deamons


Multiprocessos

❒ Necessidade de mudança de contexto entre processos


Ciclo de Vida de Processos

❒ Como são programas em execução, eles têm começo, meio e fim.❍ Início (criação)❍ Executando❍ Término


Criação de Processo

❒ Momento do início da sua execução❒ Associar recursos ao processo

❍ Identificador único (PID) caracterizado por um número inteiro

❍ Associar com um programa.❍ Registrar o processo no SO (tabela de

Processos)• Essa tabela contém todos os dados necessários para

se gerência um processos❍ Exemplo de criação

• fork( ); (unix)• CreateProcess ( ); windows32


Criação de Processo

❒ Ao se iniciar o computador, o SO cria vários processo.

❒ Em unix, ao se iniciar uma seção, o SO cria o processo init (PID=1)

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Processo em Execução❒ Quando em execução,

há basicamente dois modos de operação:

❍ Ciclo de processador quando está utilizando a cpu

❍ Ciclo de E/S quando está esperando por algum dado de E/S


Processo em Execução

❒ Característica de Processos

❍ CPU-Bound• Ciclo de CPU >> Ciclo de

E/S• Aplicações científicas.

❍ I/O-Bound• Ciclo de E/S >> Ciclo de

CPU• Acesso a banco de

dados.❍ Processos mistos


Término de Processo

❒ Final de Execução❍ Normal❍ Por erro

• Overflow, divisão por zero, falta de memória

❒ Necessidade de liberar os recursos alocados ao processo.

❒ Como matar processos❍ Por outro processo

• Comando kill no Unix❍ Log-off do usuário


Relacionamento entre Processos

❒ Processos independentes❍ Não há nenhum vínculo entre eles.❍ Não compartilham arquivo, dados, etc.

❒ Grupo de Processos❍ Há alguma relacionamento.

• Filiação• Compartilhamento de recursos• Dependência


Hierarquia entre Processos

❒ Por exemplo, no Unix cria-se um processo via a primitiva fork();❍ O criador é o Pai❍ O processo criado é o Filho

Pai

Filho

fork()



❒ Árvore de processos típica do Solares

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❒ O que ocorre quando um processo morre?❒ A árvore de processos é alterada?❒ É destruída toda a árvore?❒ O processo Avó herda os netos?

❍ E se o Avó já estiver morto?

❒ Como gerenciar a árvore de processos?



Criação de Processo em POSIX


Criação de Processo em POSIX


Estados de um Processo

❒ Após ser criado, o processo necessita entrar em ciclo de processador.❍ Mas, se o processador já estiver ocupado com

outro processo?❒ Se um processo necessitar fazer uma

operação de E/S, ele ainda vai ficar ocupando a CPU?

❒ Um processo pode ficar ocupando a CPU indefinidamente?

❒ Como modelar essas questões?



❒ Modelo de máquina de estados



❒ Quem controla a execução dos processos?

❒ No nível mais baixo do SO estão a manipulação de interrupção e o mecanismo de escalonamento de processos

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Filas Associadas ao Estados

❒ Fila de Prontos❒ Fila de Bloqueados por cada dispositivo


Mecanismo de Escalonamento de Processos


Máquina de Estado Ampliadacriação

prontosuspenso pronto executando destruído

bloqueadosuspenso bloqueado

admissão admissão

ativo

suspenso

seleção

timeover/voluntário

evento

ativo

eventoevento

suspenso

fim

fim


Controle de Alocação da Memória

❒ Todos processos estão na memória principal?❍ E se não houver espaço para todos, o que fazer?

Disco

MemóriaPrincipal

CPUSuspensão/swap

recuperação

ativação

timeout/bloqueio/


Mecanismo de Escalonamento de Processos Melhorado


Tabela de Processos

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Comunicação entre Processos❒ Memória Compartilhada❒ Troca de Mensagens

❍ Pipes e Sockets


Eficiência no Uso de Processos❒ Overhead de criação de processos❒ Overhead de mudança de contexto❒ Comunicação entre processos (IPC) mais complexa


Processos com Fluxos Simples


Processos com Múltiplos Fluxos

❒ Utilizar vários fluxos (threads) num mesmo processo.

❒ Manter a abstração de Processo❒ Diminuir overhead de gerência e mudança

de contexto


Idéia Básica


Processos Leves❒ Utilizar vários fluxos (threads) num mesmo

processo.❒ Aliviar a carga de criação, gerência e

mudança de contexto.❒ Conceito de Thread

❍ Pilha + PC + Registradores de uso geral❍ Abstração similar a Processos❍ Unidade de execução passa ser uma função❍ Comunicação via variáveis globais

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Implementação de Threads❒ Implementação no nível do usuário❒ Implementação no núcleo


Thread no Nível do Usuário❒ Modelo N:1❒ Todo gerenciamento é feito no nível de

aplicação❍ Implementada como biblioteca❍ O SO gerencia os Processos apenas, as threads

são gerenciadas pela aplicação• A mudança de contexto é gerenciada no nível de

usuário.• O algoritmo de escalonamento é implementado nonível

de aplicação.


Thread no Nível do Usuário❒ Modelo N:1


Thread no Nível do Usuário❒ Vantagens

❍ Criação e gerência mais leve, pois não há a necessidade de se acessar o núcleo.

❍ O SO cuida dos Processos e a Biblioteca das Threads

❍ Possibilita multithreading em SO sem este suporte

❒ Desvantagens❍ Uma Thread pode bloquea todo o seu Processo.❍ Não explora paralelismo em máquinas com vários

processadores.


Thread no Nível do Sistema❒ Modelo 1:1

❍ Implementação no núcleo do SO❒ O SO gerencia os Processos e as Threads

❍ Troca de contexto entre Threads é efetuado pelo SO.

❍ O SO é quem faz o escalonamento de Processos e Threads

❒ O conceito de threads é incorporado no projeto e implementação do SO


Thread no Nível do Sistema

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❒ Vantagens❍ Permite paralelismo real.❍ Evita possíveis bloqueios desnecessários de

threads.• Pois o controle é do núcleo e não da aplicação

❍ Aplicações menos dependentes de implementações específicas de bibliotecas.

❒ Desvantagens❍ Maior overhead na criação e gerência de

threads, pois essas operações requerem acesso ao núcleo do SO.

Thread no Nível do Sistema


❒ Modelo M:N❍ Combina características vantajosas das duas

abordagens anteriores.❒ Há dois níveis de escalonamento

❍ Nível do Usuário e Nível do Sistema.❍ Há M threads do usuário e N threads do

sistema.• Geralmente M > N

❒ A dificuldade reside em como mapear as threads do usuário na threads do sistema.

Implementações Híbridas de Thread


Implementações Híbridas de Thread


Por que Utilizar Threads?

❒ Uso mais eficiente dos recursos do sistema❍ Menores overheads de criação, destruição e

mudança de contexto do que os processos.❍ Mecanismos de comunicação mais simples.

• Threads em geral implementam funções.• Threads compartilhas as variáveis globais do seu

processo• Por outro lado, há a necessidade de se ter mais

cuidado ao acesso dessas variáveis, para manter a consistência da aplicação.

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