UNIDAD III
Proceso informático es un proceso referido a las instrucciones que ejecutará el microprocesador mientras lee un programa determinado. Esto también implica a la memoria reservada y a sus contenidos, el estado de ejecución en determinado momento, y la información que permite al sistema operativo planificar.
Estados de los Procesos
Los estados de un proceso obedecen a su participación y disponibilidad dentro del sistema operativo y surgen de la necesidad de controlar la ejecución de cada proceso. Los procesadores sólo pueden ejecutar un solo proceso a la vez, turnándolos para el uso de éste. Existen procesos no apropiativos o cooperativos que básicamente ocupan todo el tiempo del procesador hasta que ellos deciden dejarlo. Los procesos apropiativos son aquellos que ocupan por un período de tiempo el procesador hasta que una interrupción o señal llega al procesador para hacer el cambio de proceso, a esto se le conoce como cambio de contexto.
Los posibles estados que puede tener un proceso son ejecución, bloqueado y listo:
Ejecución, es un proceso que está haciendo uso del procesador.
Bloqueado, No puede ejecutarse hasta que un evento externo sea llevado a cabo.
Listo, ha dejado disponible al procesador para que otro proceso pueda ocuparlo.
Las posibles transiciones son 4. La primera se realiza cuando el sistema operativo determina que el proceso no puede continuar justo en ese momento, en algunos sistemas se puede hacer una llamada al sistema "pause" para pasar al estado bloqueado, en Unix cuando el proceso está leyendo datos provenientes de una canalización o de un archivo especial (terminal) y no hay entrada disponible, el proceso se bloquea de forma automática.
Las transiciones 2 y 3 son llevadas a cabo por el planificador de procesos, siendo que el proceso no tiene conocimiento de éste. La transición 2 se da cuando el planificador de procesos decide que el proceso ya estuvo el tiempo suficiente en ejecución y debe dar paso a la ejecución de otros procesos (adquieran tiempo del procesador). La transición 3 se realiza cuando todos los procesos han ocupado tiempo del procesador y debe retomarse el primer proceso.
La transición 4 ocurre cuando se produce un evento externo por el que un proceso estaba en espera, por ejemplos, introducir datos desde la terminal. Si no hay otro proceso en ejecución en ese instante, la transición 3 se activa y el proceso comienza a ejecutarse; también podría pasar al estado de "listo" y esperar un momento para iniciar la ejecución.
Bloque de Control de los Procesos
El bloque de control del proceso (BCP) o en inglés PCB (Process Control Block) es un registro especial donde el sistema operativo agrupa toda la información que necesita conocer respecto a un proceso particular. Cada vez que se crea un proceso el sistema operativo crea el BCP correspondiente para que sirva como descripción en tiempo de ejecución durante toda la vida del proceso.
Cuando el proceso termina, su BCP es borrado y el registro puede ser utilizado para otros procesos. Un proceso resulta conocido para el sistema operativo y por tanto elegible para competir por los recursos del sistema sólo cuando existe un BCP activo asociado a él. El bloque de control de proceso es una estructura de datos con campos para registrar los diferentes aspectos de la ejecución del proceso y de la utilización de recursos. La información almacenada en un BCP incluye típicamente algunos o todos los campos siguientes:
Identificador del proceso (Process Identificator -PID-, de sus siglas en inglés).
•Estado del proceso. Por ejemplo: listo, en espera, bloqueado.
•Contador de programa: dirección de la próxima instrucción a ejecutar.
•Valores de registro de CPU. Se utilizan también en el cambio de contexto.
•Espacio de direcciones de memoria.
•Prioridad en caso de utilizarse dicho algoritmo para planificación de CPU.
•Lista de recursos asignados (incluyendo descriptores de archivos y sockets abiertos).
•Estadísticas del proceso.
•Datos del propietario (owner).
•Permisos asignados.
•Signals pendientes de ser servidos. (Almacenados en un mapa de bits).
Esta lista es simplemente indicativa, cada sistema operativo tiene su propio diseño de BCP, con el conjunto de meta datos necesarios para la administración. Puede medir desde 32 bits a 1024. Su denominación cambia según el sistema operativo, por ejemplo. En IBM se designa PSW por palabra de estado de proceso. Difiere significativamente entre los sistemas de procesamiento por lotes (BATCH) y los sistemas interactivos.
Algunos sistemas de multiprogramación incluyen información de mantenimiento con el propósito de facturar a los usuarios individuales el tiempo de procesador, el almacenamiento, las operaciones de E/S y otras utilizaciones de recursos.
Una vez creado, el BCP se rellena con los atributos definidos como parámetros que se hallan en la plantilla del proceso o que son especificados como parámetros de la llamada al sistema operativo crear proceso. En ese momento el sistema operativo suele asignar valores a otros campos. Por ejemplo, cuando se crea un proceso, los registros e indicadores hardware se fijan a los valores proporcionados por el cargador/enlazador. Cada vez que un proceso queda suspendido, el contenido de los registros del procesador es generalmente guardado en la pila, y el puntero al marco de la pila en cuestión se almacena en el BCP. De este modo los valores de los registros son restaurados cuando el proceso es seleccionado para ejecutarse nuevamente.
Operaciones de los Procesos
La manifestación de un proceso en Un sistema operativo es Un bloque de control de proceso (PCB). Él es una estructura de datos que contiene cierta información importante acerca del proceso, incluyendo:
•Estado actual del proceso
•Identificación única del proceso
•Prioridad del proceso
•Apuntadores para localizar la memoria del proceso
•Apuntadores para asignar recursos
•Área para preservar registros
Así pues, el PCB es la entidad que define un proceso en el sistema operativo. Dado que los PCB necesitan ser manejados con eficiencia por el sistema operativo, muchos ordenadores tienen un registro hardware que siempre apunta hacia el PCB del proceso que se está ejecutando. A menudo existen instrucciones hardware que cargan en el PCB información sobre su entorno, y la recuperan con rapidez.
Planificación de los Procesos
La Planificación de procesos tiene como principales objetivos la equidad, la eficacia, el tiempo de respuesta, el tiempo de regreso y el rendimiento.
•Equidad: Todos los procesos deben ser atendidos.
•Eficacia: El procesador debe estar ocupado el 100% del tiempo.
•Tiempo de respuesta: El tiempo empleado en dar respuesta a las solicitudes del usuario debe ser el menor posible.
•Tiempo de regreso: Reducir al mínimo el tiempo de espera de los resultados esperados por los usuarios por lotes.
•Rendimiento: Maximizar el número de tareas que se procesan por cada hora.
Algoritmos de Planificación
Primero en llegar primero en ser servido
Conocido como FCFS (First Come First Served). Este algoritmo emplea una cola de procesos, asignando un lugar a cada proceso por el orden de llegada. Cuando el proceso llega es puesto en su lugar en la cola después del que llegó antes que él y se pone en estado de listo. Cuando un proceso comienza a ejecutarse no se interrumpe su ejecución hasta que termina de hacerlo.
Prioridad al más cortó
Su nombre es SJF (Shortest Job First). El proceso que se encuentra en ejecución cambiará de estado voluntariamente, o sea, no tendrá un tiempo de ejecución determinado para el proceso. A cada proceso se le asigna el tiempo que usará cuando vuelva a estar en ejecución, y se irá ejecutando el que tenga un menor tiempo asignado. Si se da el caso de que dos procesos tengan igual valor en ese aspecto emplea el algoritmo FCFS.
Round Robin
A cada proceso se le asigna un tiempo determinado para su ejecución, el mismo tiempo para todos. En caso de que un proceso no pueda ser ejecutado completamente en ese tiempo se continuará su ejecución después de que todos los procesos restantes sean ejecutados durante el tiempo establecido. Este es un algoritmo basado en FCFS que trata la cola de procesos que se encuentran en estado de listos como una cola circular.
Planificación por prioridad
En este tipo de planificación a cada proceso se le asigna una prioridad siguiendo un criterio determinado, y de acuerdo con esa prioridad será el orden en que se atienda cada proceso.
Planificación garantizada
Para realizar esta planificación el sistema tiene en cuenta el número de usuarios que deben ser atendidos. Para un número "n" de usuarios se asignará a cada uno un tiempo de ejecución igual a 1/n.
Planificación de Colas Múltiples
El nombre se deriva de MQS (Multilevel Queue Schedulling). En este algoritmo la cola de procesos que se encuentran en estado de listos es dividida en un número determinado de colas más pequeñas. Los procesos son clasificados mediante un criterio para determinar en qué cola será colocado cada uno cuando quede en estado de listo. Cada cola puede manejar un algoritmo de planificación diferente a las demás.
Tiempos
En la Planificación de procesos se tiene en cuenta diferentes tiempos que pueden ser calculados, como son el "Tiempo de espera medio", el "Tiempo de retorno del proceso" y el "Tiempo de retorno medio".
Tiempo de espera medio
Es el promedio de tiempos en que los procesos están en estado de listos. En algoritmos FCFS este tiempo suele ser bastante largo. En algoritmos SJF para los procesos largos este tiempo suele ser muy grande, pues se estarán ejecutando constantemente los procesos más cortos y los más largos se encontrarán constantemente en espera, por lo que pueden entrar en inanición. En Planificación por prioridad los procesos de prioridad baja podrían no ejecutarse nunca. Para dar solución a este problema el envejecimiento de un programa eleva su prioridad.
Tiempo de retorno del proceso
Es el tiempo que transcurre desde la creación de un proceso hasta que termina la ejecución del programa que le dio lugar.
Tiempo de retorno medio
Es la suma de los tiempos de retorno de cada uno de los procesos dividida entre la cantidad de procesos.
Comunicación y Sincronización entre los Procesos
En muchos casos, los procesos se reúnen para realizar tareas en conjunto, a este tipo de relación se le llama procesos cooperativos. Para lograr la comunicación, los procesos deben sincronizarse, de no ser así pueden ocurrir problemas no deseados. La sincronización es la transmisión y recepción de señales que tiene por objeto llevar a cabo el trabajo de un grupo de procesos cooperativos.
La comunicación de procesos, es el hecho de ponerse de acuerdo entre varios procesos para llevar a cabo alguna acción. Esta acción puede ser el conseguir el derecho a entrar en una región crítica en exclusión mutua, o la elección de un proceso, entre un grupo de procesos, que actúe como coordinador de las actividades del resto de los procesos del grupo.
La Sincronización de Procesos es la coordinación y cooperación de un conjunto de procesos para asegurar la comparación de recursos de cómputo. La sincronización entre procesos es necesaria para prevenir y/o corregir errores de sincronización debidos al acceso concurrente a recursos compartidos, tales como estructuras de datos o dispositivos de E/S, de procesos contendientes. La sincronización entre procesos también permite intercambiar señales de tiempo (ARRANQUE/PARADA) entre procesos cooperantes para garantizar las relaciones específicas de precedencia impuestas por el problema que se resuelve.
Sin una sincronización adecuada entre procesos, la actualización de variables compartidas puede inducir a errores de tiempo relacionados con la concurrencia que son con frecuencia difíciles de depurar. Una de las causas principales de este problema es que procesos concurrentes puedan observar valores temporalmente inconsistentes de una variable compartida mientras se actualizan una aproximación para resolver este problema es realizar actualizaciones de variables compartidas de manera mutuamente exclusiva. Se pueden mejorar permitiendo que a lo más un proceso entre a la vez en la sección crítica de código en la que se actualiza una variable compartida o estructura de datos en particular.
Para que los procesos puedan sincronizarse es necesario disponer de servicios que permitan bloquear o suspender bajo determinadas circunstancias la ejecución de un proceso. Los principales mecanismos de sincronización que ofrecen los sistemas operativos son:
Señales.
Tuberías.
Semáforos.
Mutex y variables condicionales.
Paso de mensajes.
Procesos Concurrentes
Los procesos que ejecutan de forma concurrente en un sistema se pueden clasificar como procesos independientes y cooperantes.
Un proceso independiente es aquel que ejecuta sin requerir la ayuda o cooperación de otros procesos. Un claro ejemplo de procesos independientes son los diferentes intérpretes de mandatos que se ejecutan de forma simultánea en un sistema.
Los procesos cooperantes, cuando están diseñados para trabajar conjuntamente en alguna actividad, para lo que deben ser capaces de comunicarse e interactuar entre ellos en el ejemplo del compilador que se vio anteriormente, los dos procesos que lo conforman son procesos cooperantes.
Tanto si los procesos son cooperantes como independientes, puede producirse una serie de interacciones entre ellos. Estas interacciones pueden ser de dos tipos:
– Interacción motivada porque los procesos comparten o compiten por el acceso a recursos físicos o lógicos. Esta situación aparece en los distintos tipos de procesos anteriormente comentados. Por ejemplo, dos procesos totalmente independientes pueden competir por el acceso al disco. En este caso el sistema operativo deberá encargarse de que los dos procesos accedan ordenadamente sin que se cree ningún conflicto.
Esta situación también aparece cuando varios procesos desean modificar el contenido de un registro de una base de datos. Aquí es el gestor de la base de datos el que se tendrá que encargar de ordenar los distintos accesos al registro.
– Interacción motivada porque los procesos se comunican y sincronizan entre sí para alcanzar un objetivo común. Por ejemplo, los procesos compilador y ensamblador descritos anteriormente son dos procesos que deben comunicarse y sincronizarse entre ellos con el fin de producir código en lenguaje máquina.
Virtualmente todos los sistemas de tiempo-real son inherentemente concurrentes (los dispositivos operan en paralelo en el mundo real).
Interrupción.
Interrupción
Es un mecanismo que permite ejecutar un bloque de instrucciones interrumpiendo la ejecución de un programa, y luego restablecer la ejecución del mismo sin afectarlo directamente. De este modo un programa puede ser interrumpido temporalmente para atender alguna necesidad urgente del computador y luego continuar su ejecución como si nada hubiera pasado.
Tipos de Interrupciones
Atendiendo a la fuente que las produce, las interrupciones pueden clasificarse de la siguiente forma:
Interrupciones de hardware. Estas son asíncronas a la ejecución del procesador, es decir, se pueden producir en cualquier momento independientemente de lo que esté haciendo el CPU en ese momento. Las causas que las producen son externas al procesador y a menudo suelen estar ligadas con los distintos dispositivos de entrada o salida.
Interrupciones por software. Las interrupciones por software son aquellas generadas por un programa en ejecución. Para generarlas, existen distintas instrucciones en el código máquina que permiten al programador producir una interrupción, las cuales suelen tener nemotécnicos tales como INT (por ejemplo, en DOS se realiza la instrucción INT 0x21 y en Unix se utiliza INT 0x80 para hacer llamadas de sistema).
Excepciones. Son aquellas que se producen de forma síncrona a la ejecución del procesador y por tanto podrían predecirse si se analiza con detenimiento la traza del programa que en ese momento estaba siendo ejecutado en la CPU. Normalmente son causadas al realizarse operaciones no permitidas tales como la división entre 0, el desbordamiento, el acceso a una posición de memoria no permitida, etc.
