Sistemas - Operativos: Procesos, Silberschatz.pptx

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2018
Operating System Concepts – 10th Edition
Capítulo 3: Procesos

3.2 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2018
Capítulo 3: Procesos
 Concepto de proceso
 Proceso de programación
 Operaciones en Procesos
 Comunicación entre procesos
 IPC en sistemas de memoria compartida
 IPC en sistemas de paso de mensajes
 Ejemplos de sistemas IPC
 Comunicación en sistemas cliente-servidor

Objetivos
 Identifique los componentes separados de un proceso e
ilustre cómo están representados y programados en un
sistema operativo.
 Describa cómo se crean y terminan los procesos en un
sistema operativo, incluido el desarrollo de programas
utilizando las llamadas apropiadas del sistema que realizan
estas operaciones.
 Describir y contrastar la comunicación entre procesos
utilizando la memoria compartida y el paso de mensajes.
 Diseñe programas que utilicen tuberías y memoria
compartida POSIX para realizar la comunicación entre
procesos.
 Describa la comunicación cliente-servidor mediante sockets y
llamadas a procedimientos remotos.
 Diseñar módulos del kernel que interactúen con el sistema
operativo Linux.

Concepto de proceso
 Un sistema operativo ejecuta una variedad de programas que se
ejecutan como un proceso.
 Proceso - un programa en ejecución; El proceso de ejecución
debe progresar de manera secuencial.
 Múltiples partes
 El código del programa, también llamado sección de texto.
 Actividad actual incluyendo el contador del programa (PC),
registros del procesador
 Pila (Stack) que contiene datos temporales
 Parámetros de función, direcciones de retorno, variables
locales
 Sección de datos que contiene variables globales.
 Montón (Heap) que contiene memoria asignada
dinámicamente durante el tiempo de ejecución

Concepto de Proceso (Cont.)
 El programa es una entidad pasiva almacenada en el disco
(archivo ejecutable); el proceso está activo
 Programa se convierte en proceso cuando el archivo
ejecutable se carga en la memoria
 La ejecución del programa comenzó a través de los clics del
mouse en la GUI, la entrada de la línea de comandos de su
nombre, etc.
 Un programa puede ser varios procesos.
 Considere múltiples usuarios ejecutando el mismo programa

Proceso en memoria

Diseño de memoria de un programa en C

Estado del proceso
 A medida que se ejecuta un proceso, cambia de estado.
 Nuevo: se está creando el proceso.
 Corriendo: las instrucciones se están ejecutando
 En espera: el proceso está esperando que ocurra algún
evento
 Listo: el proceso está en espera de ser asignado a un
procesador
 Terminado: El proceso ha finalizado su ejecución.

Diagrama del estado del proceso

Bloque de control de proceso (PCB)
Información asociada a cada proceso.
(También llamado bloque de control de tareas)
 Estado del proceso - en ejecución, en espera, etc.
 Contador de programas - ubicación de la
instrucción para la próxima ejecución
 Registros de CPU: contenido de todos los
registros centrados en el proceso
 Información de planificación de CPU:
prioridades, planificación de los punteros de la cola
 Información de gestión de memoria - memoria
asignada al proceso.
 Información contable: CPU utilizada, tiempo de reloj
transcurrido desde el inicio, límites de tiempo
 Información de estado de E / S: dispositivos de E /
S asignados para procesar, lista de archivos
abiertos

Threads
 Hasta ahora, el proceso tiene un solo Threads de ejecución.
 Considere tener múltiples contadores de programas por
proceso
 Pueden ejecutarse múltiples ubicaciones a la vez
 Múltiples Threadsde control -> Threads.
 Luego debe tener almacenamiento para los detalles de los
Threads, múltiples contadores de programas en PCB
 Explora en detalle en el Capítulo 4

Representación de procesos en Linux
Represented by the C structure task_struct
pid t_pid; /* process identifier */
long state; /* state of the process */
unsigned int time_slice /* scheduling information */
struct task_struct *parent;/* this process’s parent */
struct list_head children; /* this process’s children */
struct files_struct *files;/* list of open files */
struct mm_struct *mm; /* address space of this process */

Planificación de Procesos
 Maximice el uso de la CPU, cambie rápidamente los procesos
al núcleo de la CPU
 El programador de procesos selecciona entre los procesos
disponibles para la próxima ejecución en el núcleo de la CPU
 Mantiene las colas de programación de los procesos.
 Cola de listos: conjunto de todos los procesos que residen
en la memoria principal, listos y en espera de ejecutarse
 Cola de espera: conjunto de procesos que esperan un
evento (es decir, E / S)
 Procesos migran entre las distintas colas.

Colas en la planificación de procesos

Representación de la planificación de
procesos

CPU Cambiar de proceso a proceso
A context switch occurs when the CPU
switches from one process to another.

Context Switch
 Cuando la CPU cambia a otro proceso, el sistema debe
guardar el estado del proceso anterior y cargar el estado
guardado para el nuevo proceso a través de un cambio de
contexto.
 Contexto de un proceso representado en el PCB.
 El tiempo de cambio de contexto es una sobrecarga; El
sistema no hace ningún trabajo útil al cambiar
 Cuanto más complejos sean los SO y los PCB - más largo
será el cambio de contexto
 El tiempo depende del soporte de hardware
 Algún hardware proporciona múltiples conjuntos de
registros por CPU- múltiples contextos cargados a la vez

Multitarea en sistemas móviles
 Algunos sistemas móviles (por ejemplo, la versión temprana de iOS)
permiten que solo se ejecute un proceso, otros se suspenden
 Debido a las propiedades inmobiliarias de la pantalla, los límites de la
interfaz de usuario que proporciona iOS
 Proceso de primer plano controlado por la interfaz de usuario.
 Múltiples procesos en segundo plano: en memoria, en ejecución,
pero no en la pantalla, y con límites
 Los límites incluyen tareas simples y cortas, recepción de
notificaciones de eventos, tareas específicas de larga duración
como la reproducción de audio
 Android se ejecuta en primer plano y en segundo plano, con menos
límites.
 Proceso en segundo plano utiliza un servicio para realizar tareas
 El servicio puede seguir funcionando incluso si se suspende el
proceso en segundo plano
 El servicio no tiene interfaz de usuario, uso de memoria pequeña

Operaciones en Procesos
 El sistema debe proporcionar mecanismos para:
 Creación de procesos
 terminación del proceso

Creación de Procesos
 El proceso principal crea procesos secundarios que, a su vez,
crean otros procesos, formando un árbol de procesos.
 Generalmente, el proceso se identifica y se maneja a través de
un identificador de proceso (pid)
 Opciones de intercambio de recursos
 Padres e hijos comparten todos los recursos
 Los hijos comparten un subconjunto de los recursos
proporcionados por los padres
 Padre e hijo no necesariamente comparten recursos
 Opciones de ejecución
 Padres e hijos ejecutan concurrentemente
 El padre espera hasta que los hijos terminen

Árbol de procesos en Linux

Creación de Procesos (Cont.)
 Espacio de dirección
 hijo duplicado de padre
 El hijo tiene un programa cargado en él
 Ejemplos de UNIX
 La llamada al sistema fork () crea un nuevo proceso
 La llamada al sistema exec () se usa después de un fork ()
para reemplazar el espacio de memoria del proceso con un
nuevo programa
 El proceso principal llama al espera () para que el niño
termine

C Programa de bifurcación proceso
separado

Creación de un proceso separado a través de
la API de Windows

Terminación del proceso
 El proceso ejecuta la última instrucción y luego le pide al sistema
operativo que la elimine mediante la llamada al sistema exit ().
 Devuelve datos de estado del hijo al padre (a través de wait ())
 Los recursos del proceso son desasignados por el sistema
operativo.
 El padre puede terminar la ejecución de los procesos hijos utilizando
la llamada al sistema abort (). Algunas razones para hacerlo:
 El niño ha excedido los recursos asignados
 La tarea asignada al hijo ya no es necesaria
 El padre está saliendo y los sistemas operativos no permiten
que un niño continúe si su padre termina

Terminación del proceso
 Algunos sistemas operativos no permiten que exista un hijo si su
padre ha terminado. Si un proceso termina, entonces todos sus
hijos también deben ser terminados.
 terminación en cascada. Todos los hijos, nietos, etc. son
despedidos.
 La terminación es iniciada por el sistema operativo.
 El proceso principal a que termine un proceso secundario
utilizando la llamada puede esperar al sistema wait (). La llamada
devuelve información de estado y el pid del proceso terminado
pid = wait (&status);
 Si ningún padre esperando (no invocó el proceso de wait ()) es un
zombie
 Si el padre terminó sin invocar a la wait, el proceso es un huérfano

Jerarquía de importancia del proceso de
Android
 Los sistemas operativos móviles a menudo tienen que terminar procesos
para reclamar recursos del sistema, como la memoria. De más a menos
importante:
 Proceso de primer plano
 Proceso visible
 Proceso de servicio
 Proceso de fondo
 Proceso vacío
 Android comenzará a terminar procesos que son los menos importantes.

Arquitectura multiproceso - Navegador
Chrome
 Muchos navegadores web se ejecutaron como un solo proceso (algunos
todavía lo hacen)
 Si un sitio web causa problemas, todo el navegador puede bloquearse o
bloquearse
 El navegador Google Chrome es multiproceso con 3 tipos diferentes de
procesos:
 El proceso del navegador administra la interfaz de usuario, el disco y la
I/O de la red.
 El proceso de renderizado representa las páginas web, trata con HTML,
Javascript. Un nuevo renderizador creado para cada sitio web abierto.
 Se ejecuta en una zona de pruebas que restringe la I/O del disco y la red,
minimizando el efecto de las vulnerabilidades de seguridad
 Proceso de plug-in para cada tipo de plug-in.

Comunicación entre procesos
 Los procesos dentro de un sistema pueden ser independientes o
cooperantes
 El proceso de cooperación puede afectar o ser afectado por otros
procesos, incluido el intercambio de datos
 Razones para cooperación entre procesos:
 Intercambio de información
 Computación acelerada
 Modularidad
 Conveniencia
 La cooperación entre procesos requiere comunicación entre
procesos (IPC)
 Dos modelos de IPC.
 Memoria compartida
 Paso de mensajes

Modelos de comunicaciones
(a) Shared memory. (b) Message passing.

Cooperación de Procesos
 Los procesos independientes no pueden afectar o verse afectados
por la ejecución de otros procesos
 Los procesos cooperantes pueden afectar o ser afectados por la
ejecución de otro proceso.
 Ventajas de la cooperación entre procesos.
 El intercambio de información
 Aceleración de la computación
 Modularidad
 Conveniencia

Problema productor-consumidor
 Paradigma para cooperación de procesos, el proceso
productor produce información que es consumida por un
proceso de consumo
 buffer ilimitado no pone ningún límite práctico en el
tamaño del búfer
 bounded-buffer asume que hay un tamaño de buffer
fijo

Comunicación Entre Procesos - Memoria Compartida
 Un área de memoria compartida entre los procesos que
desean comunicarse.
 La comunicación está bajo el control de los procesos
de los usuarios, no del sistema operativo.
 El principal problema es proporcionar un mecanismo que
permita a los procesos del usuario sincronizar sus
acciones cuando acceden a la memoria compartida.
 La sincronización se trata con gran detalle en los capítulos
6 y 7.

Comunicación entre procesos - paso de mensajes
 Mecanismo para que los procesos se comuniquen y
sincronicen sus acciones.
 Sistema de mensajes: los procesos se comunican entre sí sin
recurrir a variables compartidas
 IPC proporciona al menos dos operaciones:
 enviar (mensaje)
 recibir (mensaje)
 El tamaño del mensaje puede ser fijo o variable.

Paso de mensajes (cont.)
 Si los procesos P y Q desean comunicarse, deben:
 Establecer un enlace de comunicación entre ellos.
 Intercambiar mensajes a través de enviar / recibir
 Problemas de implementación:
 ¿Cómo se establecen los enlaces?
 ¿Se puede asociar un enlace a más de dos procesos?
 ¿Cuántos enlaces puede haber entre cada par de procesos de
comunicación?
 ¿Cuál es la capacidad de un enlace?
 ¿El tamaño de un mensaje que el enlace puede acomodar fijo o
variable?
 ¿Es un enlace unidireccional o bidireccional?

Paso de mensajes (cont.)
 Implementación del enlace de comunicación.
 Físico:
 Memoria compartida
 Bus de hardware
 Red
 Lógico:
 Directo o indirecto
 Síncrono o asíncrono
 Almacenamiento en búfer automático o explícito

Comunicación directa
 Los procesos deben nombrarse explícitamente:
 enviar (P, mensaje) - enviar un mensaje al proceso P
 recibir (Q, mensaje) - recibir un mensaje del proceso Q
 Propiedades del enlace de comunicación.
 Los enlaces se establecen automáticamente.
 Un enlace está asociado exactamente con un par de procesos de
comunicación.
 Entre cada par existe exactamente un enlace.
 El enlace puede ser unidireccional, pero generalmente es
bidireccional.

Comunicación indirecta
 Los mensajes son dirigidos y recibidos desde buzones (también
conocidos como puertos)
 Cada buzón tiene una identificación única
 Los procesos solo pueden comunicarse si comparten un buzón
 Propiedades del enlace de comunicación.
 Enlace establecido solo si los procesos comparten un buzón
común
 Un enlace puede estar asociado con muchos procesos.
 Cada par de procesos puede compartir varios enlaces de
comunicación.
 El enlace puede ser unidireccional o bidireccional.

 Operaciones
 crear un nuevo buzón (puerto)
 enviar y recibir mensajes a través del buzón
 destruir un buzón
 Los primitivos se definen como:
enviar (A, mensaje) - enviar un mensaje al buzón A
recibir (A, mensaje) - recibe un mensaje del buzón A

 Intercambio de buzones
 P1, P2, y P3 comparten buzón A
 P1, envía; P2 y P3 reciben
 ¿Quién recibe el mensaje?
 Soluciones
 Permitir que un enlace se asocie a lo sumo con dos
procesos
 Permitir solo un proceso a la vez para ejecutar una
operación de recepción
 Permitir que el sistema seleccione arbitrariamente el
receptor. Se notifica al remitente quién era el
destinatario.

Sincronización
 El paso del mensaje puede ser bloqueado o no bloqueado
 El bloqueo se considera síncrono
 Bloqueo de envío: el remitente se bloquea hasta que se
recibe el mensaje
 Bloqueo de recepción: el receptor se bloquea hasta que haya
un mensaje disponible
 El no bloqueo se considera asíncrono.
 Envío sin bloqueo: el remitente envía el mensaje y continúa.
 Recepción no bloqueante - el receptor recibe:
 Un mensaje válido, o
 Mensaje nulo
 Diferentes combinaciones posibles
 Si tanto el envío como la recepción están bloqueados,
tenemos una cita

Productor - Memoria compartida
message next_produced;
while (true) {
/* produce an item in next_produced */
send(next_produced);
}

Productor - Memoria compartida
message next_consumed;
while (true) {
receive(next_consumed)
/* consume the item in next_consumed */
}

Buffering
 Cola de mensajes adjuntos al enlace.
 Implementado en una de tres formas.
1. Capacidad cero: no hay mensajes en cola en un enlace. El
remitente debe esperar al receptor (rendezvous)
2. Capacidad limitada: longitud finita de n mensajes El remitente
debe esperar si el enlace está completo
3. Capacidad ilimitada: longitud infinita El remitente nunca
espera

Ejemplos de sistemas IPC - POSIX
 POSIX Memoria Compartida
 El proceso primero crea el segmento de memoria compartida
shm_fd = shm_open (nombre, O CREAT | O RDWR, 0666);
 También se utiliza para abrir un segmento existente.
 Establecer el tamaño del objeto.
ftruncate (shm_fd, 4096);
 Use mmap () para asignar en memoria un puntero de archivo al
objeto de memoria compartida
 La lectura y escritura en la memoria compartida se realiza
mediante el puntero devuelto por mmap ().

IPC POSIX Producer

IPC POSIX Consumer

Ejemplos de sistemas IPC - Mach
 La comunicación de Mach está basada en mensajes.
 Incluso las llamadas al sistema son mensajes
 Cada tarea obtiene dos puertos en la creación: Kernel y Notify
 Los mensajes se envían y se reciben utilizando la función mach_msg ()
 Puertos necesarios para la comunicación, creados a través de.
mach_port_allocate ()
 El envío y la recepción son flexibles, por ejemplo, cuatro opciones si el
buzón está lleno:
 Esperar indefinidamente
 Espera a lo sumo n milisegundos
 Volver inmediatamente
 Cachear temporalmente un mensaje

Mensajes de mach
#include<mach/mach.h>
struct message {
mach_msg_header_t header;
int data;
};
mach port t client;
mach port t server;

Paso de mensajes Mach - Cliente

Paso de mensajes Mach - Servidor

Ejemplos de sistemas IPC - Windows
 Centrado en el paso de mensajes a través de la facilidad de
llamada de procedimiento local avanzado (LPC)
 Solo funciona entre procesos en el mismo sistema.
 Utiliza puertos (como buzones) para establecer y mantener
canales de comunicación.
 La comunicación funciona de la siguiente manera:
 El cliente abre un identificador para el objeto de puerto
de conexión del subsistema.
 El cliente envía una solicitud de conexión.
 El servidor crea dos puertos de comunicación privados
y devuelve el identificador a uno de ellos al cliente.
 El cliente y el servidor utilizan el identificador de puerto
correspondiente para enviar mensajes o devoluciones
de llamada y para escuchar las respuestas.

Procedimiento local de llamadas en
Windows

Pipes
 Actúa como conducto, permitiendo la comunicación de dos
procesos.
 Cuestiones:
 ¿La comunicación es unidireccional o bidireccional?
 En el caso de comunicación bidireccional, ¿es half o full-
duplex?
 ¿Debe existir una relación (es decir, padre-hijo) entre los
procesos de comunicación?
 ¿Se pueden utilizar las tuberías a través de una red?
 Tuberías ordinarias: no se puede acceder desde fuera del proceso
que lo creó. Normalmente, un proceso principal crea un conducto y
lo utiliza para comunicarse con un proceso secundario que creó.
 Canalizaciones con nombre: se puede acceder sin una relación
padre-hijo.

Ordinary Pipes
 Las tuberías comunes permiten la comunicación en el estilo estándar
de productor-consumidor
 El productor escribe en un extremo (el extremo de escritura de la
tubería (the write-end of the pipe)
 El consumidor lee desde el otro extremo (el extremo de lectura de la
tubería (the read-end of the pipe)
 Las tuberías ordinarias son por lo tanto unidireccionales.
 Requerir relación padre-hijo entre procesos de comunicación.
 Windows llama a estos tubos anónimos anonymous pipes

Named Pipes(Tubos con nombre)
 Las tuberías con nombre son más poderosas que las tuberías
comunes
 La comunicación es bidireccional.
 No es necesaria una relación padre-hijo entre los procesos de
comunicación.
 Varios procesos pueden utilizar la tubería con nombre para la
comunicación.
 Se proporciona en sistemas UNIX y Windows

Comunicaciones en sistemas cliente-servidor
 Sockets (sockets)
 Llamadas a procedimiento remoto

Sockets
 Un socket se define como un punto final para la comunicación
 Concatenación de la dirección IP y el puerto: un número incluido al inicio del
paquete de mensajes para diferenciar los servicios de red en un host
 El socket 161.25.19.8:1625 se refiere al puerto 1625 en el host 161.25.19.8
 La comunicación consiste entre un par de hosts.
 Todos los puertos inferiores a 1024 son bien conocidos, utilizados para
servicios estándar
 Dirección IP especial 127.0.0.1 (loopback) para referirse al sistema en el que
se está ejecutando el proceso

Socket Communication

Sockets in Java
 Three types of sockets
 Connection-oriented
(TCP)
 Connectionless (UDP)
 MulticastSocket
class– data can be sent
to multiple recipients
 Consider this “Date” server
in Java:
https://github.com/greggagne/osc10e/blob/master/ch3/DateServer.java

Sockets in Java
The equivalent Date client
https://github.com/greggagne/osc10e/blob/master/ch3/DateClient.java

Llamadas a procedimiento remoto
 La llamada a procedimiento remoto (RPC) extrae llamadas de
procedimiento entre procesos en sistemas en red
 Nuevamente usa puertos para la diferenciación de servicios.
 Stubs: proxy del lado del cliente para el procedimiento real en el
servidor
 El código auxiliar del lado del cliente ubica el servidor y calcula los
parámetros
 El apéndice del lado del servidor recibe este mensaje,
desempaqueta los parámetros calculados y realiza el procedimiento
en el servidor
 En Windows, el código de código auxiliar se compila a partir de la
especificación escrita en Microsoft Interface Definition Language
(MIDL)

Procedimiento de llamadas remotas (cont.)
 Representación de datos manejada a través del formato de
Representación de datos externos (XDL) para tener en
cuenta diferentes arquitecturas
 Big-endian y little-endian
 La comunicación remota tiene más escenarios de fallos que
los locales.
 Los mensajes se pueden entregar exactamente una vez
en lugar de a lo sumo
 El sistema operativo generalmente proporciona un servicio de
cita (o matchmaker) para conectar al cliente y al servidor

Ejecución de RPC

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