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1Anderson Moreira. [email protected], Sistemas Operacionais II. http//tsi.rtsystems.org

Sistemas Operacionais II

ProcessosAnderson L. S. Moreira

[email protected]

© Copyright 2004-2009, Free Electrons.

Creative Commons BY-SA 3.0 license

Latest update: 22 de Mar de 2010,

Created by: Anderson L. S. Moreira

Original: Francis Berenger Machado / Luiz Paulo Maia

[email protected]

mailto:[email protected]


Introdução

Processos – Visão GeralRevisão de SO

estrutura, estados de execução, tipos e sinais



Introdução

A gerência de um ambiente multiprogramável é função exclusiva do SO;Um programa sempre deve está associado a um processo;Gerência de processos é uma das principais funções de um SO:

Possibilita:Alocar recursos;Compartilhar dados;Trocar informações;Sincronizar suas execuções.

Nos sistemas multiprogramáveis executam concorrentemente;Nos sistemas multi processadores existem as mesmas características dos multiprogramáveis mais a execução simultânea



Estrutura do Processo

O processador é projetado para executar instruções a partir do ciclo de busca e execução;Nesse ciclo, o processador busca a instrução a ser executada na memória principal, armazena-a no registrador de instruções (RI);Decodifica seus bits e realiza a execução;O registrador PC em função de armazenar sempre o endereço da próxima instrução a ser executada:

Alterações no seu conteúdo implica na mudança da execução no processo.

Na visão da camada de hardware o processador executa instruções sem distinguir qual programa encontra-se em processamento;




É papel do SO implementar a concorrência entre programas gerenciando a alternância da execução de instruções na UCP de maneira controlada e segura;

O conceito de processo torna-se essencial para que os sistemas multiprogramáveis implementem a concorrência de diversos programas e atendam a múltiplos usuários simultâneos;

Conceito formal de processos: Um processo pode ser definido como sendo o conjunto necessário de informações para que o SO implemente a concorrência entre programas.




A troca de um processo para outro no processador, comanda

pelo SO, chama-se mudança de contexto;

PROG_1 PROG_2 PROG_3

Informaçõesde registradores



Processo X Processo Y Processo Z

Instr. 1.1Instr. 1.2Instr. 1.3Instr. 1.4Instr. 1.5

.

.

.


.

.

.


.

.

.

Inst

r. 1.

1In

str.

1.2

Inst

r. 1.

3In

str.

1.4

Inst

r. SO

Inst

r. 2.

1In

str.

2.2

Inst

r. SO

Inst

r. 3.

1In

str.

3.2

Inst

r. 3.

3In

str.

3.4

Inst

r. SO

Inst

r. 1.

5. . .

t0 t4 t5 t7 t8 t12 t13




Em sistemas multiusuários, cada usuário tem seu programa

associado a um processo;

Ao executar um programa, o usuário tem a impressão de possuir

o processador e todos os demais recursos reservados

exclusivamente para seu uso;

Isso não é verdade já que os recursos estão compartilhados pela

UCP;




Outro conceito de processo: ambiente onde o programa é

executado;

Além de informações sobre execução, tem a quantidade de

recursos do sistema que cada programa pode utilizar:

Espaço de endereçamento na memória principal;

Tempo de processador;

Área de disco.




Formação do processo

Pro g rama

C o ntexto deS o ftw are

C o nte xto deH ardw are

Espaço deEndereçame nto




Contexto de Hardware



Estrutura do Processo – Contexto de hardware

Armazena o conteúdo dos registradores gerais da UCP:

Além do estado da PC;

Stack pointer (SP);

Registrador de status.

Quando um processo está em execução:

O seu contexto de hardware está armazenado nos registradores do

processador;

No momento que o processo perde o processador o sistema salva

as informações no contexto de hardware do processo.



Estrutura do Processo – Contexto de hardware

O contexto de hardware é fundamental para implementação de

sistemas multi programáveis, onde processos alternam a utilização da

UCP

C arre g a reg is trado re s doPro ce ss o B

C arre g a reg is trado re s doPro cess o A

S istema O pe racio nal

S alva reg istrado re s doPro cess o A

e xe cutando

e xe cutando

e xe cutando

S alva reg istrado re s doPro ce ss o B

Pro ce ss o A Pro ce ss o B




Contexto de Software



Estrutura do Processo – Contexto de software

São especificados limites e características dos recursos que

podem ser alocados pelo processo:

Número máximo de arquivos abertos simultaneamente;

Prioridade de execução;

Tamanho do buffer para operações de E/S.

Muitas dessas características são determinadas no momento da

criação do processo;

Outras podem ser alteradas durante a existência.




As informações provém de um arquivo do SO chamado arquivo de usuários;

Nesse arquivo contém os limites de recursos que cada processo

pode alocar;

Composição do contexto de software:

Identificação;

Quota;

Privilégios.




Identificação:

Cada processo recebe um PID – o SO faz referencia a qualquer

processo por esse número. Junto com o PID tem o owner – UID.

Quotas:

São limites de cada recurso do sistema que um processo pode

alocar;

Caso quota seja insuficiente o processo será executado

lentamente, interrompido ou não ser executado;

Exemplos: número máximo de arquivos aberto simultaneamente,

tamanho máximo de memória principal, etc...




Privilégios:

Também conhecidos como direitos definem as ações que um

processo pode fazer em relação a ele mesmo, aos demais

processos e ao SO;

Os que afetam o próprio processo permitem que suas

características possam ser alteradas;

Os que afetam demais processos além da alterações das próprias

características, altera de outros processos.




Espaço de Endereçamento



Estrutura do Processo – Espaço de Endereçamento

É a área de memória pertencente ao processo onde instruções e

dados dos programas são armazenados para execução;

Cada processo possui o seu espaço de endereçamento que

deve ser protegido do acesso dos demais processos;



Estrutura do Processo – Espaço de Endereçamento

Pro g rama

C o ntexto deSo ftw are

p r i o r i d a d e d ee x e cu çã o r e g i s t r a d o r P C

d a t a / h o r ad e cr i a çã o

t e m p o d ep r o ce s s a d o r

r e g i s t r a d o r SP

q u o t a s

p r i v i l é g i o s

e n d e r e ço s d e m e m ó r i ap r i n ci p a l a l o ca d o s

r e g i s tr a d o rd e s t a t u s

o w n e r ( U I D )P I D

n o m er e g i s tr a d o r e s

g e r a i s

C o ntexto deH ardw are

Espaço deEndereçamento



Bloco de Controle do Processo

É implementado pelo SO, também conhecido como PCB;

O SO mantém todas as informações sobre o contexto de

hardware, contexto de software e espaço de endereçamento

........

po nte iro s

Estado do pro ce sso

Re g istrado re s

N o me do pro ce s so

Prio ridade do pro ce sso

Limite s de me mó ria

Lista de arquivo s abe rto s




Os PCBs de todos os processo ativos residem na memória

principal em uma área exclusiva do SO;

O tamanho dessa área geralmente é limitado por um parâmetro do SO que permite especificar o número máximo de processos

que podem ser suportados simultaneamente pelo sistema;



Estados do Processo

Estados do ProcessoExecução, Pronto e Espera



Estados do Processo

Em sistemas multiprogramáveis;

Um processo não devem alocar exclusivamente a UCP;

Os processos passam por diversos estados ao longo do

processamento;

Tudo em função de eventos:

Processos Ativos tem:

Execução (running);

Pronto (ready);

Espera (wait).



Estados do Processo - Execução

Um processo é dito no estado de execução quando está sendo

processado pela UCP;

Em sistemas com uma UCP somente um processo pode ser

executado em um dado instante de tempo;

Os processo se alternam de acordo com a política de

escalonamento estabelecida;

Em sistemas multi processadores um mesmo processo pode ser

executado diversas vezes e em conjunto com outros.



Estado de Processo - Pronto

Um processo está no estado de pronto quando aguarda apenas

para ser executado;

O SO é responsável por determinar ordem e os critérios pelos

quais os processos em estado de pronto devem fazer uso do

processador;

Escalonamento é esse mecanismo;

Processos são alocados de acordo com sua importância;

Ficam em lista encadeada.



Estado de Processo - Espera

Um processo está em estado de espera quando aguarda por

algum evento externo ou por algum recurso para prosseguir seu

processamento;

Exemplo:

Espera pelo término de uma operação de E/S;

Espera uma determinada data e hora;

Em alguns sistemas também é chamado de Bloqueado.



Lista de PCBs nos Estados de Pronto e Espera

........

........

........

........

........

Lista depro cesso se m e stadode pro nto

P C B # 5

P C B # 9

P C B # 1

P C B # 2 P C B # 4

Lista depro cesso se m e stadode e spera



Mudanças de Estado do Processo

Um processo muda de estado durante seu processamento em

função de eventos:

Eventos voluntários

Eventos involuntários

Basicamente existem quatro mudanças de estado:

Pronto → ExecuçãoPronto → Execução

Execução → EsperaExecução → Espera

Espera → ProntoEspera → Pronto

Execução → ProntoExecução → Pronto




Estado de Exe cução

Estado de Espe ra Estado de Pro nto

a

c

db




residente

não residente

Estado de Execução

Estado de Espera

Estado de Espera

Estado de Pro nto

Estado de Pro nto



Criação e Eliminação de Processos

Processo são criados e eliminados por motivos diversos;

Criação:

Ocorre quando o SO atribui um novo PCB a sua estrutura;

Aloca um espaço de endereçamento na memória para uso.

Eliminação:

Quando todos os recursos são desalocados;

PCB eliminado pelo SO.



Criação e Eliminação de Processos

Es ta do de Exe cuçã o Es ta do de Té rmino

Es tado de Es pe ra Es ta do de Pro nto Es tado de C ria çã o



Processos

Processos e seus tiposCPU-bound e I/O bound

Background e Foreground



Processos CPU-bound e I/O-bound

Um processo é definido como sendo CPU-bound (ligado à UCP)

quando passa a maior parte do tempo no estado de execução,

utilizando o processador, ou pronto;

CPU-bound realiza poucas operações de leitura e gravação;

Geralmente encontrado em aplicações científicas e jogos (efetuam

muitos cálculos).




Um processo é definido como I/O-bound (ligado à E/S) quando

passa a maior parte do tempo em estado de espera, pois realiza

um elevado número de operações de E/S;

I/O-bound é encontrado em:

Aplicações comerciais, pois se baseiam em leitura, processamento

e gravação;

Processo interativos (caixa eletrônico, acesso a banco, etc...)




(a) C PU - bo undte mpo te mpo

E/S E/S

U C P U C P

(b) I/O - bo und



Processos Foreground e Background

Um processo possui pelo menos dois canais de comunicação

associado a sua estrutura:

Na qual serão realizadas todas as entradas e saídas ao longo do

seu processamento.

Os canais de entrada (input) e saída (output) de dados podem

estar associados a terminais, arquivos, impressoras e até a

outros processos;

Processo foreground é aquele que permite a comunicação direta

do usuário durante a seu processamento;

Processo background é aquele em que não existe comunicação

com o usuário durante o seu processamento;




(a) Pro ce s so Fo re g ro und

(b) Pro ce s s o Backg ro und

s aída

s aída

arquivode sa ída

te rmina lte rmina l

e ntrada

e ntrada

arquivode e ntrada




É possível associar o canal de saída de um processo ao canal

de entrada de outro processo, através de um pipe.

e ntrada doPro ce sso A

s aída doPro ce sso B

saída doPro ce sso A

e ntrada doPro ce sso B

Pro ce ss o A Pro ce ss o B



Formas de Criação de Processos

Um processo pode ser criado de diversas maneiras. As três

formas principais são:

Logon interativo

Via Linguagem de Comandos

Via Rotina do SO



Formas de Criação de Processos – Logon Interativo



Formas de Criação de Processos – Linguagem de Comandos

A partir do processo do Logon Interativo, criar novos processos;

Objetivo para que um usuário crie diversos processos

possibilitando assim a execução concorrente;

O processo pode ser foreground ou background dependendo do

comando de criação



Formas de Criação de Processos – Rotina do SO

Possibilita a execução de outros programas concorrentemente

ao programa chamador;

Depende do SO a rotina de criação:

Depende de parâmetros como nome de processo a ser criado,

nome do programa executável, prioridade de execução, estado de

processo, etc...

Exemplo

procedure Tform.CriaProcesso(Sender: Tobject);

var

status: boolen; si: STARTUPINFO; pi: PROCESS_INFORMATION;

begin NomeExe := PChar(´\WINNT\NOTEPAD.EXE´);



Processos Independentes, Subprocesso e Threads

São maneiras diferentes de implementar a concorrência dentro

de uma aplicação;

Busca-se dividir o código em partes para trabalharem de forma

cooperativa;

Processos independentes – não existe vínculo do processo

criado com o seu criador;

Subprocessos – criados dentro de uma estrutura hierárquica;

Processo-pai e processo-filho.




Pro ce sso A

Pro ce sso CPro ce sso B

Pro ce sso EPro ce sso D




O conceito de threads foi introduzidos na tentativa de reduzir o

tempo gasto em criação, eliminação e troca de contexto de

processos nas aplicações concorrentes;

Um único processo admite várias linhas de execução:

C o ntextode hardware

C ontextode hardware

C ontextode hardware

Espaço deendereçamento

Co

nte

xto

de

soft

wa

re

Thread 3Thread 2Thread 1



Processos do Sistema Operacional

Processos são utilizados para implementação de serviços do

SO;

Quando processos são utilizados para implementação de

serviços do SO, estamos retirando código do seu núcleo,

tornando-o menor e mais estável;

No caso de um ou mais serviços não serem desejados basta não

ativar o processo;

Alguns serviços: auditoria e segurança, serviços de rede,

contabilização do uso de recursos, contabilização de erros,

gerência de impressão, temporização, comunicação de eventos,

interface de comandos (shell).



Sinais

[ctrl- C ]

Pro ce sso

inte rrupção sinalS iste ma O pe racio nal



Sinais, Interrupções e Exceções

H ardw are

S istema O pe racio nal

Interrupçõ e sExce çõ es

S inais

Pro cesso Pro cess o



Bibliografia

Sistemas operacionais, Romulo Oliveira, 2009;

Arquitetura de Sistemas Operacionais, Francis Machado, 2008;

Embedded Linux Experts – http://free-electrons.com



Exercícios

Atividade 1 – Criação de processos

Prática de simulação

Execute o Sosim e identifique as quatro janelas que são abertas na inicialização;

Crie um processo: janela Gerência de Processos / Criar – janela Criação de

Processos / Criar

Análise prática

Na janela Gerência de Processos, observe algumas informações sobre o contexto de

software do processo como PID, prioridade, estado do processo e tempo de

processador;

Na janela Gerência de Processador, observe o processo transicionando entre estados;

Na janela Gerência de Processador, movimente a barra de Clock de UCP e observe as

variações ocorridas.

Questão teórica: Com base na observação do comportamento do processo criado, identifique se o processo é I/O-bound ou CPU-bound. Justifique.



Exercícios

Atividade 2 – Tipos de processos (a)

Práticas de simulação:

Reinicialize o simulador;

Crie um processo do tipo CPU-bound: janela Gerência de Processos /

Criar – janela Criação de Processos / Criar (tipo de processo deve ser

CPU-bound);

Crie outro processo do tipo I/O-bound: janela Gerência de

Processos / Criar – janela Criação de Processos / Criar (tipo de

processo deve ser I/O-bound).



Exercícios

Atividade 2 – Tipos de processos (b)

Análise Prática

Na janela Gerência de Processos, observe as mudanças de estado

dos dois processos;

Na janela Gerência de Processador, observe o comportamento dos

processos e as mudanças de contexto em função do tipo I/O-bound e

CPU-bound;

Na janela Gerência de Processos, compare a taxa de crescimento do

tempo de processador dos dois processos.

Questão teórica – Analise os efeitos gerados no caso de redução do tempo gasto na operação de E/S pelo processo I/O-bound



Exercícios

Atividade 3 – PCB

Prática de simulação


Crie dois novos processos: janela Gerência de Processos / Criar –

janela Criação de Processos / Criar

Análise da Prática

Na janela Gerência de Processos / PCB, observe as informações

sobre contexto de software hardware dos processos criados.

Questão teórica – Identifique quais informações do PCB são estáticas e quais fazem parte do contexto de software e contexto de hardware.



Exercícios

Atividade 4 – Estatísticas

Práticas de simulação


Ative a janela de Estatísticas em Console Sosim / Janelas / Estatísticas

Crie dois novos processos: janela Gerência de Processos / Criar – janela

Criação d Processos / Criar.

Análise Prática

Na janela estatística, observe as informações: número de processos, estado

dos processos e processos escalonados

Questão teórica – Observe que em alguns momentos existem processos no estado de pronto, porem nenhum em estado de execução. Explique a razão dessa situação.



Exercícios

Atividade 5: Log de Execução dos Processos


Reinicalize o simulador.

Ative a janela de Log em Console SOsim / Janelas / Log.

Crie dois novos processos do tipo CPU-bound: janela Gerência de Processos / Cria –

janela Criação de Processos / Criar (tipo de processo deve ser CPU-bound).

Análise Prática

Na janela Log, observe as informações sobre as mudanças de estado dos processos

observando o tempo que cada processo permanece nos estados de Execução e Pronto.

Reinicalize o simulador parametrizando com um valor de fatia de tempo diferente

observe as diferenças na janela Log.

Questão teórica - Analise comparativamente a concorrência de dois processos CPU-bound executando em dois sistemas operacionais que se diferenciam apenas pelo valor da fatia de tempo.



Exercícios

Atividade 6: Suspensão e Eliminação de Processos


Reinicalize o simulador.

Crie dois novos processos: janela Gerência de Processos / Cria –

janela Criação de Processos / Criar.



ExercíciosAtividade 6

Análise Prática

Na janela Gerência de Processos, observe as informações sobre o contexto de

software dos processos criados.

Na janela Gerência de Processador, observe a concorrência no uso do processador

pelos dois processos.

Compare percentualmente os tempos de uso do processador entre os dois processos.

Suspenda temporariamente um dos processos na janela Gerência de Processos /

Suspender.

Observe os estados dos processos, a concorrência no uso do processador e

novamente compare percentualmente os tempos de uso do processador entre os dois

processos.

Libere o processo do estado de espera (suspenso) na janela Gerência de Processos /

Prosseguir.

Elimine um dos processos na janela Gerência de Processos / Finalizar.



Exercícios

Atividade 6

Questão teórica

Ao se eliminar um processo em estado de suspenso, o processo não

é eliminado imediatamente. Reproduza essa situação no simulador e

explique o porquê da situação



No próximo episódio de SO II !!!

Sistemas de Arquivos;

Questões práticas de SO


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