Sistemas Operacionais 1: Resumo

Sistemas Operacionais 1 - Resumo Prof. Ricardo Pinheiro 10/03/2009

Sumário 1

Introdução

3

1.1 O que é um Sistema Operacional (SO)? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Funções: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Máquina de Níveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Tipos de Sistemas Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Sistemas Monotarefa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Sistemas Multitarefa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.1 Lote ou Batch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.2 Tempo Compartilhado (Time-Share) . . . . . . . . . . 1.3.2.3 Tempo Real (Real-Time) . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Multiplas UCP´s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. 1.3.3. 3.11 Mult Multip ipro roce cess ssad ador ores es,, ou sist sistem emas as fort fortem emen ente te acop acopla lado doss 1.3. 1.3.3. 3.22 Mult Multic icom ompu puta tado dore res, s, ou sist sistem emas as frac fracam amen ente te acop acopla lado dos. s. 2

Concorrência

2.1 2.2 2.3 2.4

2.5 2.6 2.7 2.8 3

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8

Introdução . . . . . . . . . . . . . . . Interrupções . . . . . . . . . . . . . . Exceções . . . . . . . . . . . . . . . . Controladoras de E/S . . . . . . . . . . 2.4.1 No início... . . . . . . . . . . . 2.4.2 E/S Controlada por Programa . 2.4.3 Polling . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 E/S Controlada por Interrupção 2.4.5 DMA . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5.1 Canal DMA . . . . . Buffering . . . . . . . . . . . . . . . . Spooling . . . . . . . . . . . . . . . . . Reentrância . . . . . . . . . . . . . . . Proteção do Sistema . . . . . . . . . . .

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Estrutura do sistema operacional

3.1 Kernel . . . . . . . . . . . . . 3.2 Bibliotecas . . . . . . . . . . 3.2.1 Chamadas do sistema . 3.3 Utilitários . . . . . . . . . . . 3.4 Modos de acesso . . . . . . .

3 3 3 3 4 4 5 5 5 5 6 6 7 8 8 9 10 10 10 10 10 10 11 11 11 11 12 13

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13 14 14 14 14

2

SUMÁRIO  3.5 Tipos de kernel . . . . . 3.5.1 Monolítico . . . 3.5.2 Camadas . . . . 3.5.3 Máquina Virtual 3.5.4 Microkernel . . . 4

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Processos e threads

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

5

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Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Partes do processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bloco de controle do processo (PCB) . . . . . . . . . Estados do processo e mudanças de estado . . . . . . 4.4.1 Mudanças de estado . . . . . . . . . . . . . Criação e eliminação de processos . . . . . . . . . . Concorrência dentro de uma aplicação . . . . . . . . Tipos de processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Threads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.2 Ambientes monothread e multithread . . . . 4.9.2.1 Monothread . . . . . . . . . . . . 4.9.2.2 Multithread . . . . . . . . . . . . 4.9.3 Formas de implementação . . . . . . . . . . 4.9.3.1 Threads em Modo Usuário (TMU) 4.9.3.2 Threads em Modo Kernel (TMK) . 4.9.3.3 Threads em Modo Híbrido (TMH) 4.9.3.4 Scheduler activations . . . . . . .

Sincronização entre processos

15 15 15 15 16 18

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18 18 19 19 19 20 20 20 20 21 21 21 21 22 22 22 22 23 23 24

Capítulo 1 Introdução 1.1

O que é um Sistema Operacional (SO)?

• Programa. • Conjunto de rotinas. • Executado de forma não-seqüencial.

1.1.1

Funções:

1. Interação homem-máquina. 2. Gerência de recursos. 3. Administração de usuários da máquina (usuários = programas, pessoas).

1.1.2

Objetivos

1. Compartilhar os recursos de forma organizada e protegida. 2. Facilitar o acesso aos recursos. OBS: Recursos

1.2

→

UCP, memória, HD ....

Máquina de Níveis

• Computador

→

hardware e software como uma coisa só para o usuário.

• 6 níveis: 1. São independentes entre si. 2. A passagem por cada uma é obrigatória. 3. Há uma interface entre as camadas. 3

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO  São eles:

Aplicações Linguagem de Montagem Sistema Operacional Linguagem de máquina Microprogramação Hardware (Lógica Digital)

1.3

Tipos de Sistemas Operacionais

Tipos de SO Subtipos Monotarefa ou Monoprogramável – Multitarefa ou Multiprogramável Batch, ou em lote; Tempo Compartilhado; Tempo Real Múltiplas UCPs Sistemas fortemente e fracamente acoplados • Diferem quanto à: 1. Aplicação 2. Hardware empregado 3. Estrutura interna – complexidade • Desejável: 1. Escalável 2. Rápido 3. Flexível 4. Seguro 5. Tolerante a Falhas 6. Robusto

1.3.1

Sistemas Monotarefa

• Um único programa em execução. • Todos os recursos dedicados a esse programa - desperdício • Estrutura simples Ex: MS-DOS, PALM OS

4

5

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 

1.3.2

Sistemas Multitarefa

• Vários programas em execução. • Compartilhamento e gerência dos recursos. • Melhor aproveitamento. • Estrutura complexa. • Alguns são multiusuário. 1.3.2.1

Lote ou Batch

• 1º SO multitarefa • fila de submissão de tarefas • tarefas não interativas • Saída em impressora ou disco • Podem ser eficientes, como também podem ter tempos de resposta longos • Não são mais usados 1.3.2.2

Tempo Compartilhado (Time-Share)

• Tipo mais comum. • Conceito de fatia de tempo • Cada tarefa fica em execução até o tempo acabar, dando lugar a outra • Tarefas interativas Ex: UNIX, WINDOWS 1.3.2.3

Tempo Real (Real-Time)

• Semelhante ao sistema time-share, mas não são iguais. • Tempo de resposta

→

dentro de intervalos rígidos.

• Conceito de prioridade

tarefa em execução enquanto não houver outro de mais prioridade do que ele

→

• Prioridade definida pela aplicação. • Uso em sistemas de missão critica e controle de processos: refinarias, siderúrgicas, trafego aéreo.

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 

1.3.3

Multiplas UCP´s

• Processamento paralelo • Conceitos: 1. escalabilidade 2. disponibilidade 3. balanceamento de carga • tendência atual • Problemas: 1. Necessidade de desempenho 2. Problemas mais caros computacionalmente. 3. ”Lei” de Moore – limite físico. • Solução: 1. uso de arquiteturas com mais de uma UCP 2. software que tire proveito e escalone entre as UCP´s presentes • Caracteristicas desejáveis: 1. escalabilidade – alta 2. disponibilidade – alta 3. balanceamento de carga – justo 4. transparência 5. imagem única do sistema 1.3.3.1

Multiprocessadores, ou sistemas fortemente acoplados

• Memória única. • Tudo gerênciado por um único SO. • Subdividido em SMP - Arquitetura simétrica. NUMA - Acesso Não-Uniforme a Memória.

• Custo de produção mais elevado.

6

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO  1.3.3.2

Multicomputadores, ou sistemas fracamente acoplados.

• Memória “espalhada” • Um único SO ou vários • Cada membro do sistema esta conectado aos outros por um link de dados • Custo de produção mais baixo. • Tendência atual

7

Capítulo 2 Concorrência 2.1

Introdução

• Computador - seu uso é caro computacionalmente • Objetivo: minimizar o desperdício (tempo que a UCP fica parada) • Momentos de desperdício: – Frequência da UCP é maior do que a frequência da memória – Velocidade da UCP é muito maior do que a velocidade de E/S. – Baixo uso da UCP em si.

• Solução: Manter a UCP o mais ocupada possível, executando instruções de forma concorrente. Exemplo: Programa pega 100 registros, ordena e grava o resultado:

Operação Uso Tempo Ler 100 registros: E/S 0,04 s Ordenar: UCP 0,01 s Gravar o resultado: E/S 0,05 s Total: 0,10 s. Total de uso da UCP: 00 01 10 s 0 1 ,

=

,

=

10%

.

,

Concorrência - conjunto de técnicas que permite a UCP passar mais tempo ocupada – desempenhando mais

tarefas por instante de tempo (throughput). Abaixo, algumas técnicas de concorrência.

2.2

Interrupções

• Durante a execução, eventos inesperados podem ocorrer Características:

• Evento assíncrono. 8

Desvio forçado na execução - interrupção.

→

CAPÍTULO 2. CONCORRÊNCIA

9

• Evento é externo ao programa. • Evento gerado por software ou hardware. • A interrupção é o fundamento básico de concorrência, usado para a sincronização das rotinas do S. O., programas, etc. • Arquitetura IBM-PC: 16 interrupções de hardware, divididas entre 2 controladoras de interrupção (interligadas em cascata): Exemplo: IRQ1 - relógio (timer); IRQ3 - porta serial 1; IRQ7 - porta paralela; IRQ13 - IDE 1; etc.

• Há a necessidade de termos mecanismos apropriados para cada tipo de interrupção. • Como são tratadas: – Rotina de tratamento de interrupção – Vetor de interrupção

• Como são assíncronos, podem ocorrer várias vezes, o que atrapalha a execução do programa. Por isso, temos 2 tipos de interrupções: – Mascaráveis – podem ser ignoradas. – Não-mascaráveis – não podem ser ignoradas.

• Controlador de pedidos de interrupção - Hardware que gerencia as interrupções.

2.3

Exceções

• Parecidos com as interrupções, mas diferem nos quesitos: – Evento interno ao programa. – Evento síncrono. – Tratamento é todo via software. Exemplo: Divisão por zero, buffer overflow, stack overflow, etc.

• Tratamento feito pelo desenvolvedor, ou pelo hardware (em alguns casos). • Segurança: – Falhas em programas geram exceções. – Programação segura.

CAPÍTULO 2. CONCORRÊNCIA

2.4 2.4.1

10

Controladoras de E/S No início...

• UCP fala diretamente com os dispositivos de E/S. • Problema: E/S é muito mais lento do que a memória ou a UCP. • Introdução do controlador (ou controladora) de E/S: – Gerência do acesso aos dispositivos de E/S. – Tira da UCP o trabalho de cuidar dos dispositivos. – Mais eficiente do que a UCP fazer o controle.

• Problema ainda existe

a transferência de dados entre a memória e dispositivo de E/S é feita pela UCP.

→

• ”Interferência” da UCP. • Abaixo, algumas técnicas empregadas.

2.4.2

E/S Controlada por Programa

• UCP envia a requisição e move os dados entre a memória e a controladora, aguardando o término da operação. • UCP fica “presa”, aguardando o término da operação - nada eficiente.

2.4.3

Polling

• UCP envia a requisição, move os dados e é liberada. • De tempos em tempos, testa para ver se a operação foi concluída.

2.4.4

E/S Controlada por Interrupção

• UCP envia a requisição, move os dados, e é liberada. • Quando a operação for concluída, a controladora gera uma interrupção, avisando à UCP o término da operação. • Muito eficiente, mas ainda requer a interferência direta da UCP, fazendo a transferência de dados.

2.4.5

DMA

• Acesso direto a memória • Controladora fala direto com a memória, sem passar pela UCP - apenas no início e no fim da transferência. • A UCP repassa à controladora a posição inicial da memória a ser lida/escrita, e é liberada.

11

CAPÍTULO 2. CONCORRÊNCIA 2.4.5.1

Canal DMA

• Extensão do conceito. • Diversas “vias” ligando as controladoras da máquina à memória. • Na arquitetura PC há 8 canais • Chance de uso de buffers para aumentar ainda mais o desempenho.

2.5

Buffering

• Uso de uma área na memória principal, o buffer. • Velocidade da UCP é muito maior do que a velocidade de E/S. • Objetivo: acelerar o acesso aos dispositivos de E/S (leitura e gravação). • Manter UCP e E/S ocupados na maior parte do tempo. • Registro como unidade de transferência.

2.6

Spooling

• Fila de submissão de tarefas - inicialmente em fitas magnéticas. • Arquivo de spool - usado inicialmente em SO´s do tipo batch. • Fila: 1º a entrar , 1º a sair (FIFO). • Seqüencial - uso de discos com acesso direto – spooling mais eficiente. • Não-sequencial - arquivo no disco. • Uso no gerenciamento de impressão hoje em dia.

2.7

Reentrância

• Mais comum em sistemas multiusuário. • Vários usuários usando os mesmos programas. • Problema: Várias cópias do mesmo programa na memória

desperdício.

→

• Reentrância: capacidade do código-fonte do programa ser executado e compartilhado entre os usuários do sistema. • Código executável = código reentrante. • O código deve ter compilado com essa opção. • Uso mais eficiente da memória e aumento do desempenho do sistema.

CAPÍTULO 2. CONCORRÊNCIA

2.8

Proteção do Sistema

• Sistemas mais novos - mais complexos. • Necessidade de aumentar a segurança • É preciso garantir a confiabilidade e integridade de programas e dados • Situações em que mecanismos de proteção são necessários: 1. áreas reservadas para cada programa e seus dados - evitar a sobreposição dessas áreas. 2. comunicação entre programas de forma sincronizada. 3. Compartilhamento de arquivos no disco 4. Evitar “monopólios” da UCP. 5. Contornar exceções. • O sistema operacional deve evitar esses problemas com mecanismos de controle.

12

Capítulo 3 Estrutura do sistema operacional Um sistema operacional é composto de três partes: 1. Kernel. 2. Bibliotecas. 3. Utilitários.

3.1

Kernel

• núcleo do sistema. • Parte central do sistema operacional. • oferecem serviços aos usuários. • execução não-sequencial. • Principais funções: 1. gerência de processos e threads. 2. gerência de memória. 3. gerência de UCP. 4. gerência de dispositivos de E/S. 5. tratamento de interrupções. 6. tratamento de exceções. 7. suporte a redes. 8. segurança. 9. contabilidade e auditoria do sistema. • Tipos de kernel: como ele fala com o hardware e software, sua organização interna varia de projeto para projeto. • Ideal é que seja pequeno, rápido, estável e seguro. 13

CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DO SISTEMA OPERACIONAL 

3.2

14

Bibliotecas

• Conjunto de rotinas usadas por programas. • Fornecem serviços para os programas. • Contém as chamadaa ao sistema.

3.2.1

Chamadas do sistema

• Partes integrantes das bibliotecas. • Meio organizado e padronizado para acesso ao kernel. • Forma como o kernel pode ser acessado. • Esconde a complexidade do acesso para o programador. • Programa System Calls Kernel Hardware →

→

→

• Nomes diferentes para a mesma coisa: 1. Windows: API´s 2. Open VMS: System Services 3. UNIX: System Calls OBS: No Unix, o que determina se um sistema é “padrão UNIX” ou não é se ele segue a especificação das

System Calls, criada pelo comitê POSIX.

3.3

Utilitários

Programas que auxiliam o funcionamento do sistema operacional. Exemplos: Compiladores, compactadores, ferramentas de acesso ao disco, etc.

3.4

Modos de acesso

• A UCP tem instruções: 1. privilegiadas - tem acesso a todos os recursos, e mal-usadas, podem comprometer o funcionamento do sistema, gerando instabilidade. 2. não-privilegiadas - não comprometem a estabilidade do sistema operacional. • Modos de acesso - o que são: 1. Solução implementada em hardware, pela UCP. 2. Acesso ou não à instruções privilegiadas. 3. Informação de qual modo de acesso está salvo em um registrador de estado – PSW.

CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DO SISTEMA OPERACIONAL 

15

4. Hoje em dia, os sistemas são montados de forma que o kernel é o único programa que pode estar sendo executado no modo privilegiado. • Chaveamento de modos, ou mudança de contexto: 1. Mudança entre os estados do processador, do modo privilegiado para o não-privilegiado, e viceversa. 2. Custa (pouco) tempo à UCP, mas é desejável que esse tempo seja ainda mais minimizado.

3.5

Tipos de kernel

Antes, dividiremos entre modo usuário (não-privilegiado) e modo kernel (privilegiado).

3.5.1

Monolítico

• Um grande bloco de código, ou dividido em módulos, todos sendo executados no modo kernel. • Estrutura mais simples. • Desenvolvimento mais simples. • A manutenção pode ser complexa, se não for um projeto bem-feito e bem amarrado. • Simples na estrutura. • Rápido. Ex: MS-DOS, Linux.

3.5.2

Camadas

• Níveis sobrepostos. • Há necessidade de passar por todos os níveis para chegar ao kernel. • Como as camadas são isoladas, facilita a manutenção e a depuração. • Desempenho prejudicado pela estrutura - muito burocrático. Ex: Open VMS, MULTICS, Windows 2000

3.5.3

Máquina Virtual

• Sistema computacional composto por níveis, onde o nível mais baixo é o hardware. • Modelo de máquina virtual - nível intermediário entre o hardware e o sistema operacional - gerência de máquinas virtuais. • Cada máquina virtual oferece uma cópia virtual do hardware, incluindo os modos de acesso, interrupções, dispositivos de E/S, etc.

CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DO SISTEMA OPERACIONAL 

16

• Cada máquina virtual é independente das demais, contendo seu próprio sistema operacional, seus próprios usuários e suas próprias aplicações. • Conceito iniciado no VM/370, baseado no OS/370, da IBM (anos 1960). • Conceito usado também com a linguagem Java - JVM. • Vantagens: 1. Segurança - Isolamento total das máquinas virtuais. 2. Economia de recursos - mais barato um servidor grande do que vários servidores pequenos. 3. Portabilidade - se o hardware hospedeiro tiver um defeito, basta transferir os arquivos das máquinas virtuais para outro hardware. • Desvantagens: 1. Complexidade. 2. Sobrecarga - um hipervisor é complexo e consome muitos recursos do hardware hospedeiro.

3.5.4

Microkernel

• Constatação - sistemas atuais ainda são lentos e pesados. • Microkernel - tornar o núcleo do sistema operacional o menor e mais simples possível. • Disponibilizar os serviços através de processos a serem executados no nível usuário. • Cada um desses processos servidores fornecem um recurso específico para o sistema: Gerência de processos, gerência de arquivos, escalonamento de processos, etc. • A principal função do kernel então é fazer o diálogo entre os diferentes processos servidores. • Conceito surgido nos anos 1980, com o sistema operacional Mach, desenvolvido na Universidade CarnegieMellon. • O núcleo do Mach fornece 4 serviços, apenas: Gerência de processos, gerência de memória, comunicação por troca de mensagens e operações de E/S, todas em modo usuário. • Vantagens: 1. Mais seguro: Se um serviço sair do ar, é recolocado facilmente. 2. Apropriado para computação distribuída: Os serviços podem ser remanejados entre as UCPs. 3. Mais flexível. 4. Mais rápido: com o kernel enxuto, menos código a ser executado. 5. Mais facilmente portado para outras arquiteturas: Menos código no kernel, menos dificuldades para reescrever o kernel para outras plataformas.

CAPÍTULO 3. ESTRUTURA DO SISTEMA OPERACIONAL 

17

• Há controvérsias quanto à afirmação de ser mais rápido (ponto no. 4), pois apesar do kernel ser menor, o sistema fará muito mais chamadas e mudanças de modo de acesso, ao acessar os serviços que rodam no modo usuário. • Na prática, os sistemas microkernel são interessantes, mas ainda não podem estar disponíveis comercialmente. Existem alguns sistemas que agregam características do microkernel, mas não são completamente nesse estado. Exemplos: L4, Amoeba, Exokernel, Minix.

Capítulo 4 Processos e threads 4.1

Introdução

• Conceito - base para a implementação de um sistema multiprogramável. • Um programa deve estar sempre associado a um processo. • Processo - ambiente no qual um programa é executado. • O processo é colocado em execução e é tirado caso o sistema operacional necessite fazê-lo.

4.2

Partes do processo

• Três partes: 1. Espaço de endereçamento: Área de memória usada pelo processo, onde as instruções e os dados do programa são armaenados para execução. 2. Contexto de hardware: Registradores gerais e específicos da UCP. Quando um processo está em execução, o contexto de hardware guarda os registradores do processador. Quando ele é tirado de execução (mudança de contexto), todos os registradores são salvos no contexto de hardware, para que o processo seja novamente colocado em execução, a partir do ponto onde parou. 3. Contexto de software: Características e limites dos recursos que podem ser alocados pelo processo. Muitas dessas características são determinadas no momento da criação do processo, enquanto outras podem ser alteradas durante a sua existência. São três grupos de informações: – Identificação:

* Número de identificação do processo (PID). * Nome do usuário que criou o processo (UID). * Grupo do usuário que criou o processo (GID). – Quotas: Limites de cada recurso do sistema que um prcoesso pode alocar. Exemplos: * Número máximo de arquivos abertos simultaneamente; * Número máximo de operações de E/S pendentes; * Tamanho máximo do buffer para operações de E/S; 18

CAPÍTULO 4. PROCESSOS E THREADS

19

* Número máximo de processos, subprocessos e threads que podem ser criados. – Privilégios: Ações que um processo pode fazer em relação a ele mesmo, aos demais processos e ao sistema operacional. Exemplos: * * * * * * *

4.3

Alterar a prioridade de execução; Limites alocados na memória principal e secundária; Alterar as prioridades de outros processos; Desativar o sistema; Alterar regras de segurança; Criar outros processos privilegiados; Mudar a configuração do sistema.

Bloco de controle do processo (PCB)

• O bloco de controle do processo é uma estrutura de dados, mantida pelo sistema operacional, em área reservada, onde todas as informações necessárias para manter o processo em funcionamento são arquivadas. • A gerência de processos é feita por chamadas do sistema.

4.4

Estados do processo e mudanças de estado

• Três estados: 1. Execução: Sendo executado pela UCP. 2. Prontidão (ou pronto): Aguarda a sua vez para ser executado. 3. Espera: Aguarda pelo fim de um evento externo ou por um recurso para continuar o processamento. Escalonamento: Conjunto de critérios que definem qual processo será colocado em execução primeiro.

4.4.1

Mudanças de estado

• Eventos voluntários ou involuntários podem mudar o estado de um processo: 1. Eventos voluntários: O processo muda por causa de eventos originários de si mesmo. 2. Eventos involuntários: O processos muda por ação do sistema operacional. • Mudanças: 1. Pronto execução: Colocado em execução. 2. Execução espera: Evento externo, como uma operação de E/S, faz o processo ter seu estado mudado. 3. Espera pronto: O evento externo foi concluído. Note que não há como passar direto, de espera para execução. →

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CAPÍTULO 4. PROCESSOS E THREADS 4. Execução prontidão.

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pronto: O término da fatia de tempo que o processo tem o coloca de volta na fila de

• Processos no estado de espera ou pronto podem estar na memória virtual, por falta de espaço. Logo, a técnica de swapping consiste em mover processos entre as memórias principal e virtual.

4.5

Criação e eliminação de processos

• Dois estados adicionais: 1. Criação Criou-se a entrada no PCB, mas o processo ainda não foi colocado na lista de prontidão. É criado por outros processos. 2. Término O programa foi finalizado, mas o PCB ainda existe. É eliminado por outros processos ou pelo término nortmal da sua execução. →

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4.6

Concorrência dentro de uma aplicação

• Três maneiras: 1. Processos independentes: Um processo cria outros, sem vínculos. É a maneira mais simples. 2. Subprocessos: Um processo cria outros, de forma que estão vinculados hierarquicamente: Se o processo-pai é eliminado, os processos-filho também serão. Compartilham quotas. 3. Threads: Ramificações dentro do processo, compartilhando o contexto de software e o espaço de endereçamento. É um modo de gastar menos tempo com criação, escalonamento e eliminação de processos.

4.7

Tipos de processo

1. Foreground: Execução em primeiro plano, interage diretamente com o usuário, com entrada-padrão (teclado) e saída-padrão (monitor). 2. Background: Execução em segundo plano, onde não é preciso interagir diretamente com o usuário. Nesse caso, entrada e saída podem ser arquivos, por exemplo. 3. CPU-Bound: Passa a maior parte da fatia de tempo em estado de execução, ou seja, usando a UCP intensamente. 4. I/O-Bound: Passa a maior parte da fatia de tempo em estado de espera, com muitas operações de E/S.

4.8

Sinais

• Mecanismo que permite ”avisar” processos de eventos gerados pelo sistema operacional ou por outros processos. • Também são usados para comunicação e sincronização entre processos.

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CAPÍTULO 4. PROCESSOS E THREADS • Podem ser associados a temporizadores (eventos associados ao tempo). Exemplos: Notificação de interrupções e exceções, alarmes de tempo, limites de quotas excedidos, etc.

• Eventos que geram sinais - síncronos ou assíncronos. • Tratamento do sinal - semelhante ao mecanismo de interupções. • O sinal está para o processo assim como interrupções e exceções estão para o sistema operacional.

4.9 4.9.1

Threads Introdução

• No início, eram apenas processos. • Conceito de processo ”leve” (lightweight)

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compartilha o espaço de endereçamento.

• Thread - surge primeiro no sistema operacional Mach, da Universidade de Carnegie-Mellon (1980). • Ganho de desempenho e flexibilidade, apesar da complexa implementação. • Aplicações mais complexas - vários trechos de código em execução paralela - para termos comunicação e sincronização de threads deve-se avaliar desempenho, flexibilidade e custo. • Apesar da dificuldade em desenvolver, compensa devido aos ganhos obtidos. Exemplos: Windows 2000 e superiores, Linux, Solaris, etc.

4.9.2

Ambientes monothread e multithread

4.9.2.1

Monothread

• Cada processo tem apenas um thread. • Concorrência se dá apenas com processos independentes ou subprocessos. • Problema - criar, gerenciar e eliminar processos é computacionalmente caro. • Compartilhar o espaço de endereçamento é complexo, por conta dos mecanismos empregados. • Processo

Unidade de alocação e de escalonamento.

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CAPÍTULO 4. PROCESSOS E THREADS 4.9.2.2

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Multithread

• Permite que tenhamos aplicações concorrentes de forma mais eficiente: – Aumenta o desempenho, por dispensar mecanismos de comunicação dentrod o processo. – Aumenta a eficiência, por termos menos sobrecarga do sistema como um tyodo - menos processos

e mais threads. • Programas associados a threads. • Os threads sofrem mudança de estado (pronto, espera e execução), e tem seu próprio bloco de controle (o TCB). • Processo • Thread

Unidade de alocação.

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Unidade de escalonamento.

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• O S. O. vê e escalona os threads de cada processo.

4.9.3

Formas de implementação

• Pacote de threads - Conjunto de rotinas da biblioteca do sistema operacional par aa implementação de threads. • Falta de padrão em sistemas Unix, até o comitê POSIX liberar uma norma para termos threads, os PThreads. 4.9.3.1

Threads em Modo Usuário (TMU)

• Implementados pela aplicação. • O sistema operacional não vê os threads, apenas o proceso como um todo. • Podemos ter aplicações multithread em ambientes monothread. • São rápidos e eficientes, por não fazerem acessos ao kernel, e as mudanças de modo de acesso da UCP (usuário-kernel-usuário). • Uma chamada a um dispositivo de E/S, feita por um thread, coloca todo o processo em estado de espera. • O tratamento dos sinais também é complexo, pois o processo terá que tratar o sinal e direcioná-lo ao thread certo. 4.9.3.2

Threads em Modo Kernel (TMK)

• Implementados pelo kernel. • O sistema operacional gerencia diretamente os threads de um processo. • Requer mudanças de modo de acesso, logo tem desempenho degradado - bem mais lentos. • Chamadas bloqueantes colocam apenas o thread em estado de espera, não todo o processo. • Podemos ter vários threads de um mesmo processo em execução simultânea, em UCPs diferentes.

CAPÍTULO 4. PROCESSOS E THREADS 4.9.3.3

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Threads em Modo Híbrido (TMH)

• Combina as vantagens dos threads em modo usuário (TMU) e em modo kernel (TMK), mas também as desvantagens. • Um processo tem vários TMKs, e cadas TMK tem vários TMUs. • O sistema operacional escalona os TMKs, e eles escalonam os TMUs. • O objetivo é aumentar a flexibilidade, já que apenas os TMKs são escalonados (diminuindo o número de mudanças de modo de acesso), mas também traz os problemas das chamadas bloqueantes, entre outras. 4.9.3.4

Scheduler activations

• Os Threads em Modo Híbrido (TMH) tem problemas devido à falta de comunicação entre os threads. • É desejável unir o melhor das implementações, fugindo dos problemas de cada uma. • O scheduler activations foi implementado inicialmente na Universidade de Washington, e nessa forma, há uma estrutura de dados que facilita a troca de informações entre o kernel e a biblioteca de threads. Essa estrutura é o scheduler activations. • O escalonamento é feito pela própria biblioteca, evitando as mudanças de modo de acesso, como por exemplo a ocorrência de uma chamada bloqueante. • Ambas as partes se comunicam, e trabalham cooperativamente.

Capítulo 5 Sincronização entre processos

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