Unidad 2. Administración de Procesos y del procesador

2.1 - Concepto de Proceso

Un proceso es una instancia de ejecución de un programa, caracterizado por su contador de programa, su palabra de estado, sus registros del procesador, su segmento de texto, pila y datos, etc. Un programa es un concepto estático, mientras que un proceso es un concepto dinámico. Es posible que un programa sea ejecutado por varios usuarios en un sistema multiusuario, por cada una de estas ejecuciones existirá un proceso, con su contador de programa, registros, etc.

2.2 - Estados y transiciones

Durante su vida, un proceso puede pasar por una serie de estados discretos, algunos de ellos son:

·        En ejecución: El proceso ocupa la CPU actualmente, es decir, se está ejecutando.

·        Listo o preparado: El proceso dispone de todos los recursos para su ejecución, sólo le falta la CPU.

·        Bloqueado: Al proceso le falta algún recurso para poder seguir ejecutándose, además de la CPU. Por recurso se pueden entender un dispositivo, un dato, etc. El proceso necesita que ocurra algún evento que le permita poder proseguir su ejecución.

Hay otros estados de los procesos, pero en la presente exposición se tratarán estos tres. Por sencillez, se considera un sistema con una sola CPU, aunque no es difícil la extensión a múltiples procesadores. Solamente puede haber un proceso en ejecución a la vez, pero pueden existir varios listos y varios pueden estar bloqueados. Así pues, se forman una lista de procesos listos y otra de procesos bloqueados. La lista de procesos listos se ordena por prioridad, de manera que el siguiente proceso que reciba la CPU será el primero de la lista. La lista de procesos bloqueados normalmente no está ordenada; los procesos no se desbloquean (es decir, no pasan a ser procesos listos) en orden de prioridad, sino que lo hacen en el orden de ocurrencia de los eventos que están esperando. Como se verá más adelante, hay situaciones en las cuales varios procesos pueden bloquearse esperando la ocurrencia del mismo evento; en tales casos es común asignar prioridades a los procesos que esperan.

2.3 - Procesos ligeros: Hilos ó Hebras:

El concepto de proceso es más complejo y sutil que el presentado hasta ahora. Engloba dos conceptos separados y potencialmente independientes: uno relativo a la propiedad de recursos y otro que hace referencia a la ejecución.

·        Unidad que posee recursos: A un proceso se le asigna un espacio de memoria y, de tanto en tanto, se le puede asignar otros recursos como dispositivos de E/S o ficheros.

·       Unidad a la que se le asigna el procesador: Un proceso es un flujo de ejecución (una traza) a través de uno o más programas. Esta ejecución se entremezcla con la de otros procesos. De tal forma, que un proceso tiene un estado (en ejecución, listo, etc) y una prioridad de expedición u origen. La unidad planificada y expedida por el sistema operativo es el proceso.

En la mayoría de los sistemas operativos, estas dos características son, de hecho, la esencia de un proceso. Sin embargo, son independientes, y pueden ser tratadas como tales por el sistema operativo. Esta distinción ha conducido en los sistemas operativos actuales a desarrollar la construcción conocida como thread, cuyas traducciones más frecuentes son hilo, hebra y proceso ligero. Si se tiene esta división de características, la unidad de asignación de la CPU se conoce como hilo, mientras que a la unidad que posee recursos se le llama proceso.

Dentro de un proceso puede haber uno o más hilos de control cada uno con:

·        Un estado de ejecución (en ejecución, listo, bloqueado).

·        Un contexto de procesador, que se salva cuando no esté ejecutándose.

• Una pila de ejecución.
• Algún almacenamiento estático para variables locales.
• Acceso a la memoria y a los recursos de ese trabajo que comparte con los otros hilos.

Los beneficios clave de los hilos se derivan de las implicaciones del rendimiento: se tarda menos tiempo en crear un nuevo hilo de un proceso que ya existe, en terminarlo, y en hacer un cambio de contexto entre hilos de un mismo proceso. Al someter a un mismo proceso a varios flujos de ejecución se mantiene una única copia en memoria del código, y no varias.

2.4 - Concurrencia y secuencialidad

Puede verse la concurrencia de procesos como la ejecución simultánea de varios procesos. Si tenemos un multiprocesador o un sistema distribuido la concurrencia parece clara, en un momento dado cada procesador ejecuta un proceso. Se puede ampliar el concepto de concurrencia si entendemos por procesado concurrente (o procesado paralelo) la circunstancia en la que de tomar una instantánea del sistema en conjunto, varios procesos se vean en un estado intermedio entre su estado inicial y final.

Los distintos procesos dentro de un ordenador no actúan de forma aislada. Por un lado, algunos procesos cooperan para lograr un objetivo común. Por otro lado, los procesos compiten por el uso de unos recursos limitados, como el procesador, la memoria o los ficheros. Estas dos actividades de cooperación y competición llevan asociada la necesidad de algún tipo de comunicación entre los procesos.

Para aclarar un poco todo esto, supongamos que en un entorno UNIX se ejecuta la orden:

·         cat tema1 tema2 tema3 | wc -l

BENEFICIOS DE LA CONCURRENCIA

·         Trata de evitar los tiempos muertos de la UCP

·         Comparte y optimiza el uso de recursos

·         Permite la modularidad en las diferentes etapas del proceso

·         Acelera los cálculos

·         Da mayor comodidad

DESVENTAJAS DE LA CONCURRENCIA

·         Inanición e interrupción de procesos

·         Ocurrencia de bloqueos

·         Que dos o más procesos requieran el mismo recurso (no apropiativo).

2.5 - NIVELES, OBJETIVOS Y CRITERIOS DE PLANIFICACIÓN

·         El Planificador es la porción del Sistema Operativo que decide y el Algoritmo de Planificación es el utilizado. Los principales “criterios” respecto de un buen algoritmo de planificación son la equidad, la eficacia, el tiempo de respuesta, el tiempo de regreso y el rendimiento.

·         Cada proceso es único e impredecible, es decir que pueden requerir intensivamente operaciones de Entrada / Salida o intensivamente CPU; el planificador del Sistema Operativo no tiene la certeza de cuánto tiempo transcurrirá hasta que un proceso se bloquee, ya sea por una operación de Entrada / Salida o por otra razón .

·         Para evitar que un proceso se apropie de la cpu un tiempo excesivo, los equipos poseen un dispositivo que provoca una interrupción en forma periódica, por ejemplo 60 hz, o sea sesenta veces por segundo.

Planificación de Procesador:

·         Planificación apropiativa: es la estrategia de permitir que procesos ejecutables (desde el punto de vista lógico) sean suspendidos temporalmente.

·         Planificación no apropiativa: es la estrategia de permitir la ejecución de un proceso hasta terminar.

·         Planificación del procesador: determinar cuándo deben asignarse los procesadores y a qué procesos, lo cual es responsabilidad del Sistema Operativo.

Niveles de planificación del procesador:

·         Planificación de alto nivel: También se denomina Planificación de trabajos.Determina a qué trabajos se les va a permitir competir activamente por los recursos del sistema, lo cual se denomina Planificación de admisión.

·         Planificación de nivel intermedio: Determina a qué procesos se les puede permitir competir por la CPU. Responde a fluctuaciones a corto plazo en la carga del sistema y efectúa “suspensiones” y “activaciones” (“reanudaciones”) de procesos. Debe ayudar a alcanzar ciertas metas en el rendimiento total del sistema.

·         Planificación de bajo nivel: Determina a qué proceso listo se le asigna la CPU cuando esta queda disponible y asigna la CPU al mismo, es decir que “despacha” la CPU al proceso.

2.6 - Técnicas de administración del planificador

·         FIFO : "Es muy simple, los procesos se despachan de acuerdo con su tiempo de llegada a la cola de listos. Una vez que el proceso obtiene la CPU, se ejecuta hasta terminar, ya que es una disciplina “no apropiativa”. Puede ocasionar que procesos largos hagan esperar a procesos cortos y que procesos no importantes hagan esperar a procesos importantes. Es más predecible que otros esquemas. No puede garantizar buenos tiempos de respuesta interactivos. Suele utilizarse integrado a otros esquemas, por ejemplo, de la siguiente manera: Los procesos se despachan con algún esquema de prioridad. Los procesos con igual prioridad se despachan “FIFO”.

·         RR : Los procesos se despachan en “FIFO” y disponen de una cantidad limitada de tiempo decpu, llamada “división de tiempo” o “cuanto”. Si un proceso no termina antes de expirar su tiempo de cpu ocurren las siguientes acciones: La cpu es apropiada. La cpu es otorgada al siguiente proceso en espera. El proceso apropiado es situado al final de la lista de listos. Es efectiva en ambientes de tiempo compartido. La sobrecarga de la apropiación se mantiene baja mediante mecanismos eficientes de intercambio de contexto y con suficiente memoria principal para los procesos. "

·         SJF : "Es una disciplina no apropiativa y por lo tanto no recomendable en ambientes de tiempo compartido. El proceso en espera con el menor tiempo estimado de ejecución hasta su terminación es el siguiente en ejecutarse. Los tiempos promedio de espera son menores que con “FIFO”. Los tiempos de espera son menos predecibles que en “FIFO”. Favorece a los procesos cortos en detrimento de los largos. Tiende a reducir el número de procesos en espera y el número de procesos que esperan detrás de procesos largos. Requiere un conocimiento preciso del tiempo de ejecución de un proceso, lo que generalmente se desconoce. Se pueden estimar los tiempos en base a series de valores anteriores. "

·         Queves multi-level : "Los esquemas analizados hasta ahora suponen que todos los procesos ejecutables están en la memoria principal. Si la memoria principal es insuficiente, ocurrirá lo siguiente. Habrá procesos ejecutables que se mantengan en disco. Habrá importantes implicaciones para la planificación, tales como las siguientes: El tiempo de alternancia entre procesos para traer y procesar un proceso del disco es considerablemente mayor que el tiempo para un proceso que ya está en la memoria principal. Es más eficiente el intercambio de los procesos con un planificador de dos niveles. El esquema operativo de un planificador de dos niveles es como sigue: Se carga en la memoria principal cierto subconjunto de los procesos ejecutables. El planificador se restringe a ellos durante cierto tiempo. Periódicamente se llama a un planificador de nivel superior. El planificador de nivel superior se encarga de desplazar los procesos de memoria a disco y viceversa.

·         Multi-level feedback queves :  Proporcionan una estructura para lograr los siguientes objetivos: Favorecer trabajos cortos. Favorecer trabajos limitados por la Entrada / Salida para optimizar el uso de los dispositivos de Entrada / Salida. Determinar la naturaleza de un trabajo lo más rápido posible y planificar el trabajo (proceso) en consecuencia. Un nuevo proceso entra en la red de línea de espera al final de la cola superior. Se mueve por esta cola “FIFO” hasta obtener la CPU. Si el trabajo termina o abandona la CPU para esperar por la terminación de una operación de Entrada / Salida o la terminación de algún otro suceso, el trabajo abandona la red de línea de espera.