Teorico Con Preguntas de Examen

FING - UDELAR

Teórico de Sistemas Operativos Extraí Extra í do do del curso de:

Facultad de Ingenierí a Universidad de la República Uruguay

El material contiene la compaginació compaginación de todas las transparencias del curso 2008 má más el resumen de Mó Mónica Canto del curso 2002.

Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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Tabla de Contenidos 1 Introducció Introducción....................................................................................................................13 1.1 Componentes de un Sistema de Computaci ón.........................................................13 1.2 Definició Definición de sistema operativo.......................................................... operativo.......................................................... .....................13 1.2.1 Metas.................................................................................................................13 1.2.2 Tareas principales.............................................................................................13 2 Perspectiva Histó Hist órica......................................................................................................15 2.1 Sistemas Batch (‘70)................................................................................................15 2.2 Sistemas Batch con Multiprogramaci ón (Com. ‘80)...............................................15 2.3 Sistemas de tiempo compartido. (Fines ‘80)............................................................16 2.4 Computadores Computadores personales (Fines ‘80).................................................................. ....16 2.5 Sistemas Paralelos Paralelos (com. ’90).............................................................................. ....17 2.6 Taxonomí Taxonomí a de Flynn (comienzos de los '90):..........................................................17 2.7 Sistemas Paralelos Paralelos Multiprocesadores............................................................ Multiprocesadores............................................................ .........18 ........ .18 2.8 Sistemas Cluster.......................................................................................................19 2.9 Sistemas Sistemas de Tiempo Real............................................................ Real............................................................ .......................... ...20 2.10 Sistemas Sistemas Multimedia........................................................ Multimedia............................................................................................ .................................... ..20 2.11 Sistemas de Mano..................................................................................................20 3 Estructura de los Sistemas de Computaci ón...................................................................22 3.1 Componentes Componentes de un sistema........................................................................... sistema........................................................................... ..........22 ......... .22 3.1.1 CPU (procesador).................................................................................. (procesador).................................................................................. ............22 3.1.2 Memoria............................................................................................................23 3.1.2.1 Cache.......................................................................................................24 3.1.2.2 Memoria Memoria principal (RAM)...................................................... (RAM)...................................................................... .................24 .24 3.1.2.3 Discos magné magn éticos (hard disk).................................................................24 3.1.3 Dispositivos de Entrada/Salida (IO).................................................................25 3.1.3.1 Device Drivers.........................................................................................26 3.1.3.2 Memory-mapped-IO................................................................................26 3.1.3.3 IO port address.........................................................................................27 3.1.3.4 Comparació Comparaci ón de acceso...........................................................................27 3.1.3.5 Interacció Interacción con la controladora...............................................................27 3.1.3.5.1 Polling..............................................................................................27 3.1.3.5.2 Interrupciones.................................................................................. Interrupciones.................................................................................. .28 3.1.3.5.3 DMA................................................................................................28 3.2 Protecció Protección de Hardware...........................................................................................29 3.2.1 Modo Dual........................................................................................................29 3.2.2 Protecció Protección de E/S..............................................................................................30 3.2.3 Protecció Protección de Memoria.....................................................................................31 3.2.4 Protecció Protección de CPU............................................................................................31 3.3 Red...........................................................................................................................32 3.3.1 LAN - Local Area Network..............................................................................32


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FING - UDELAR 3.3.2 WAN - Wide Area Networks................................................................ Networks................................................................ ............32 3.3.3 Topologí Topologí aass de red..............................................................................................33 4 Estructura de los Sistemas Sistemas Operativos................................................. Operativos................................................. ...........................35 ..................... ......35 4.1 Componentes Componentes del sistema sistema operativo...................................................................... ...35 4.1.1 Administració Administraci ón de procesos..............................................................................35 4.1.2 Administració Administraci ón de memoria..............................................................................35 4.1.3 Subsistema de E/S.............................................................................................36 4.1.4 Administració Administraci ón de almacenamiento secundario...............................................36 4.1.5 Subsistema de archivos.....................................................................................37 4.1.6 Red....................................................................................................................37 4.1.7 Sistema de protecció protecci ón.......................................................................................37 4.1.8 Inté Intérprete de comandos.....................................................................................37 4.2 Servicios del SO.......................................................................................................37 4.2.1 Ejecució Ejecución de programas....................................................................................38 4.2.2 Operaciones de Entrada/Salida.........................................................................38 4.2.3 Manipulació Manipulación de sistemas de archivos..............................................................38 4.2.4 Comunicació Comunicaci ón entre procesos...........................................................................38 4.2.5 Detecció Detección de errores.........................................................................................38 4.2.6 Propó Propósito General..............................................................................................38 4.3 Llamados al sistema.................................................................................................38 4.4 Estructura del sistema..............................................................................................40 4.4.1 Sistema Monolí Monol í tico...........................................................................................41 tico...........................................................................................41 4.4.2 Sistema en capas...............................................................................................41 4.4.3 Sistema con micronú micron úcleo (microkernel)...........................................................42 4.4.4 Sistema con mó m ódulos........................................................................................43 5 Procesos..........................................................................................................................45 5.1 Definició Definición de Proceso..............................................................................................45 5.2 Contador de programa.................................................................................. programa.................................................................................. ............45 5.3 Memoria de los procesos.........................................................................................45 5.4 Estados de los los procesos......................................................................................... ...46 5.5 Transiciones entre estados.......................................................................................47 5.6 Bloque descriptor descriptor de proceso............................................................................... ....47 5.7 Creació Creación de procesos...............................................................................................48 .......................................................................................................................................49 5.8 Listas y colas de procesos........................................................................................50 5.9 Cambio de contexto.................................................................................................51 5.10 Cooperació Cooperaci ón entre procesos...................................................................................53 5.11 Threads...................................................................................................................53 6 Planificació Planificación...................................................................................................................58 6.1 Introducció Introducción.............................................................................................................58 6.2 Clases de procesos...................................................................................................58 6.3 Esquemas de planificació planificaci ón.......................................................................................58


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FING - UDELAR 6.4 Criterios de planificaci ón.........................................................................................60 6.5 Algoritmos de planificació planificaci ón.....................................................................................60 6.5.1 First-Come First-Served (FCFS)......................................................................60 6.5.2 Shortest-Job-First (SJF)....................................................................................60 6.5.3 Basados en Prioridad............................................................................. Prioridad............................................................................. ............61 6.5.4 Round-Robin (RR)............................................................................................62 6.5.5 Colas multinivel multinivel (Multilevel-Queue)....................................................... (Multilevel-Queue)............................................................... .........64 .64 6.5.6 Multilevel-Feedback-Queue.............................................................................64 6.5.7 Sistemas multiprocesadores..............................................................................65 6.6 Despachador.............................................................................................................67 7 Procesos y Recursos........................................................................................................68 7.1 Bloque descriptor descriptor de procesos (PCB (PCB)......................................................... )................................................................ .............68 ......68 7.2 Bloque descriptor descriptor de recursos RCB....................................................... RCB.................................................................... ..................68 .....68 7.3 Transiciones Transiciones de estados......................................................................................... ...69 7.4 Operaciones Operaciones sobre procesos........................................................................... procesos........................................................................... ..........69 ....... ...69 7.5 Operaciones sobre Recursos....................................................................................70 7.5.1 Requerir Recurso..............................................................................................70 7.5.2 Liberar Recurso.................................................................................................70 7.6 Planificador..............................................................................................................71 7.7 Ejemplo (semá (sem áforo binario).....................................................................................72 8 Administració Administraci ón de memoria............................................................................................73 8.1 Introducció Introducción.............................................................................................................73 8.2 Conceptos bá básicos....................................................................................................73 8.3 Asociació Asociación de Direcciones Direcciones (Address Binding)............................................. Binding)............................................. ...........75 ....... ....75 8.4 Tipos de direccionam direccionamiento............................................................................ iento............................................................................ ...........76 ....... ....76 8.5 Carga diná dinámica (dynamic (dynamic loading):..................................................... loading):...................................................................... ....................77 ...77 8.6 Ensamblaje diná din ámico (dynamic linking).................................................................77 8.7 Overlays...................................................................................................................78 8.8 Swapping..................................................................................................................78 8.9 Asignació Asignación de memoria...........................................................................................79 8.10 Multiprogramació Multiprogramaci ón con particiones fijas...............................................................79 8.11 Multiprogramació Multiprogramaci ón con particiones variables....................................................... variables....................................................... .80 8.12 Estructuras para asignació asignaci ón....................................................................................80 8.13 Estrategia de asignació asignaci ón.........................................................................................80 8.14 Fragmentació Fragmentaci ón........................................................................................................81 8.15 Paginació Paginación..............................................................................................................82 8.16 Direccionamiento en paginaci ón............................................................................82 8.17 Soporte a nivel de hardware............................................................................... hardware............................................................................... ....84 8.18 Tiempo efectivo de acceso (Effective Access Time).............................................86 8.19 Protecció Protecci ón de memoria..........................................................................................86 8.20 Estructura de la tabla de p ágina.............................................................................87 8.20.1 Jerá Jerárquica........................................................................................................87


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FING - UDELAR 8.20.2 Diccionarios....................................................................................................88 8.20.3 Invertida..........................................................................................................89 8.21 Compartimiento.....................................................................................................89 8.22 Segmentación.........................................................................................................90 8.22.1 Soporte a nivel de hardware......................................................................... ...91 8.22.2 Protección de memoria...................................................................................93 8.22.3 Compartimiento..............................................................................................94 8.23 Comparación Paginación - Segmentación.............................................................94 8.24 Segmentación con paginación................................................................................96 9 Memoria Virtual..............................................................................................................97 9.1 Introducción.............................................................................................................97 9.2 Implementación........................................................................................................98 9.2.1 Rutina de atención del fallo de página: ..........................................................100 9.3 Estudio de la performance.....................................................................................101 9.4 Algoritmos de reemplazo....................................................................... ................102 9.4.1 FIFO ( First In - First Out).................................................................... ..........102 9.4.1.1 Anomalí a de Belady para FIFO.............................................................103 9.4.2 Segunda chance (Second chance)................................................. ..................104 9.4.3 Óptimo (Optimal Page Replacement).............................................................104 9.4.4 No recientemente usada (Not Recently Used - NRU)......................... ...........104 9.4.5 Recientemente menos usada (Least Recently Used - LRU)...........................105 9.5 Estrategia de asignación de frames........................................................................106 9.6 Hiperpaginación.....................................................................................................107 9.6.1 Causas de la hiperpaginación..........................................................................107 9.6.2 El modelo Working-Set..................................................................................108 10 Sistema de Archivos...................................................................................................110 10.1 Archivos...............................................................................................................110 10.2 Operaciones sobre los archivos......................................................................... ...110 10.3 Métodos de acceso...............................................................................................111 10.4 Directorios............................................................................................................111 10.4.1 Operaciones sobre directorios.......................................................................112 10.4.2 Estructura de directorios...............................................................................112 10.4.2.1 Nivel único...........................................................................................112 10.4.2.2 Árbol....................................................................................................112 10.4.3 Grafo.............................................................................................................113 10.4.4 Montaje de directorios..................................................................................113 10.5 Seguridad en archivos..........................................................................................114 10.6 Implementación....................................................................................................114 10.6.1 Sistema de archivos virtual...........................................................................115 10.6.2 Estructura de los directorios................................................................ ..........115 10.6.3 Métodos de asignación..................................................................................116 10.6.3.1 Asignación contigua (Contiguos Allocation)......................................116


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FING - UDELAR 10.6.3.2 Asignación en forma de lista (Linked Allocation)..............................116 10.6.3.2.1 Ej. FAT.........................................................................................116 10.6.3.3 Asignación indexada (Indexed Allocation).........................................117 10.6.4 Administración del espacio libre..................................................................118 10.6.4.1 Ejemplo UNIX.....................................................................................119 11 Estructura de dispositivos masivos de datos....................................................... ........121 11.1 Planificación de disco..........................................................................................121 11.1.1 FCFS - First-Come, First-Served..................................................................121 11.1.2 SSTF - Shortest Seek Time First..................................................................122 11.1.3 SCAN............................................................................................................122 11.1.4 C-SCAN........................................................................................................123 11.1.5 C-LOOK.......................................................................................................123 11.1.6 Comparación de los algoritmos de planificación..........................................124 11.2 Estructuras RAID.................................................................................................125 12 Subsistema de Entrada-Salida................................................................... ..................127 12.1 Introducción.........................................................................................................127 12.2 Métodos para efectuar una E/S............................................................................128 12.2.1 E/S programada (Programmed I/O)..................................................... .........128 12.2.2 Interrupciones (Interrupt-Driven).................................................................129 12.2.3 Acceso directo a memoria (DMA - Direct Memory Access).......................130 12.2.3.1 Interfaz de aplicación de E/S...............................................................132 13 Concurrencia...............................................................................................................136 13.1 Antecedentes........................................................................................................136 13.2 El problema de la sección crí tica.........................................................................137 13.2.1 Soluciones para dos procesos........................................................................138 13.3 Hardware de sincronizaci ón.................................................................................144 13.4 Semáforos............................................................................................................146 13.4.1 Uso ...............................................................................................................146 13.4.2 Implementación.............................................................................................146 13.4.3 Bloqueos mutuos e inanición........................................................................148 13.4.4 Semáforos binarios........................................................................................149 13.5 Problemas clásicos de sincronización..................................................................150 13.5.1 El problema del buffer..................................................................................150 13.5.2 El problema de los lectores y escritores........................................................150 13.5.3 El problema de los fil ósofos.........................................................................151 13.6 Regiones crí ticas..................................................................................................153 13.7 Monitores.............................................................................................................153 13.8 Sincronización en Solaris 2..................................................................................157 13.9 Transacciones atómicas.......................................................................................157 13.9.1 Modelo del sistema.......................................................................................157 13.9.2 Recuperación basada en bitácoras................................................................158 13.9.3 Puntos de verificación (checkpoints)............................................................158


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FING - UDELAR 13.9.4 Transacciones atómicas concurrentes...........................................................159 13.9.4.1 Seriabilidad..........................................................................................159 13.9.4.2 Protocolo de cerraduras.......................................................................159 13.9.4.3 Protocolos basados en marcas de tiempo.............................................160 14 Ada..............................................................................................................................161 14.1 Un poco de historia..............................................................................................161 14.1.1 Pequeña descripción del lenguaje.................................................................161 14.2 Tipos de datos primitivos.....................................................................................161 14.2.1 Variables y Constantes................................................................................ ..161 14.3 Tipos de Datos Numéricos...................................................................................162 14.3.1 Enumeraciones..............................................................................................162 14.3.2 Tipos Caracter y Boleano.................................................. ............................162 14.3.3 Tipo de Dato Apuntador...............................................................................162 14.4 Tipo de datos estructurados.................................................................................163 14.4.1 Vectores y Arreglos......................................................................................163 14.4.2 Cadena de Caracteres....................................................................................163 14.4.3 Tipo de Dato Archivo...................................................................................163 14.4.4 Tipo de Dato Definido Por El Usuario.........................................................164 14.5 Control de secuencia............................................................................................164 14.5.1 Expresiones...................................................................................................164 14.5.2 Sentencias.....................................................................................................164 14.6 Sentencias condicionales.....................................................................................164 14.6.1 Sentencia If...................................................................................................164 14.6.2 Sentencia CASE............................................................................................165 14.7 Sentencias de iteración.........................................................................................165 14.7.1 Sentencia Loop........................................................................... ...................165 14.8 Subprogramas y manejo de almacenamiento.......................................................166 14.8.1 Funciones y Procedimientos.........................................................................166 14.9 Abstracción y encapsulamiento...........................................................................167 14.9.1 Paquetes........................................................................................................167 14.10 Hola Mundo!!.................................................................................. ...................167 14.11 Ejemplos de procedimientos:................................................................... ..........168 14.11.1 Alicia – Bernardo:.......................................................................................168 14.11.2 Factorial:.....................................................................................................169 14.11.3 Productor – Consumidor:............................................................ ................169 14.11.4 Semáforo:....................................................................................................171 14.11.5 Productor – consumidor:.............................................................................171 15 Bloqueos mutuos (Deadlock).................................................................................. ....173 15.1 Modelo del sistema..............................................................................................173 15.2 Caracterización de bloqueos mutuos...................................................................173 15.2.1 Condiciones necesarias.................................................................................173 15.2.2 Grafo de asignación de recursos...................................................................174


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FING - UDELAR 15.3 Métodos para manejar bloqueos mutuos..............................................................174 15.4 Evitación de bloqueos mutuos.............................................................................175 15.4.1 Mutua exclusión............................................................................................175 15.4.2 Retener y esperar............................................................... ............................175 15.4.3 No expropiación............................................................................................175 15.4.4 Espera circular..............................................................................................175 15.5 Prevención de bloqueos mutuos...........................................................................176 15.5.1 Estado seguro................................................................................................176 15.5.2 Algoritmo de grafo de asignaci ón de recursos..............................................177 15.5.3 Algoritmo del banquero................................................................................177 15.5.4 Algoritmo de seguridad....................................................................... ..........181 15.5.4.1 Algoritmo de solicitud de recursos........................................... ...........181 15.6 Detección de bloqueos mutuos............................................................................181 15.6.1 Un solo ejemplar de cada tipo de recursos....................................................182 15.6.2 Varios ejemplares de cada tipo de recursos.................................... ..............182 15.6.3 Uso del algoritmo de detección.....................................................................182 15.7 Recuperación después del bloqueo mutuo...........................................................183 15.7.1 Terminación de procesos..............................................................................183 15.7.2 Expropiación de recursos..............................................................................183 15.8 Estrategia combinada para el manejo de bloqueos mutuos.................................184 16 Protección...................................................................................................................185 16.1 Objetivos de la protección...................................................................................185 16.2 Dominios de protección.......................................................................................185 16.2.1 Estructura de dominios.................................................................................185 16.2.2 Ejemplos.......................................................................................................186 16.2.2.1 UNIX...................................................................................................186 16.2.2.2 Multics.................................................................................................187 16.3 Matriz de acceso..................................................................................................187 16.4 Implementación de la matriz de acceso...............................................................188 16.4.1 Tabla global..................................................................................................188 16.4.2 Lista de acceso para objetos....................................................................... ...189 16.4.3 Lista de capacidades para dominios............................................................ ..189 16.4.4 Un mecanismo de cerradura y llave............................................................ ..189 16.4.5 Comparación.................................................................................................189 16.5 Revocación de derechos de acceso......................................................................189 16.6 Sistemas basados en capacidades............................................................. ............190 16.6.1 Hydra.............................................................................................................190 16.6.2 Sistema Cambridge CAP..............................................................................190 16.7 Protección basada en el lenguaje.........................................................................191 17 Seguridad....................................................................................................................192 17.1 El problema de la seguridad............................................................................. ....192 17.2 Validación............................................................................................................192


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FING - UDELAR 17.2.1 Contraseñas...................................................................................................192 17.2.2 Vulnerabilidad de las contraseñas.................................................................192 17.2.3 Contraseñas cifradas.....................................................................................192 17.3 Contraseñas de un solo uso..................................................................................193 17.4 Amenazas por programas................................................................................. ....193 17.4.1 Caballo de Troya...........................................................................................193 17.4.2 Puerta secreta (Trap door)........................................................................... ..193 17.5 Amenazas al sistema............................................................................................193 17.5.1 Gusanos.........................................................................................................193 17.5.2 Virus..............................................................................................................194 17.6 Vigilancia de amenazas..................................................................... ...................194 17.7 Cifrado.................................................................................................................194 17.8 Clasificación de seguridad de los computadores.................................................195 17.9 Ejemplo de modelo de seguridad: Windows NT...................................... ...........197 18 El sistema UNIX.........................................................................................................198 18.1 Historia.................................................................................................................198 18.2 Principios de diseño.............................................................................................198 18.3 Interfaz con el programador............................................................................. ....198 18.3.1 Manipulación de archivos.............................................................................199 18.3.2 Control de procesos............................................................................. ..........199 18.4 Señales.................................................................................................................200 18.4.1 Grupos de procesos.......................................................................................200 18.4.2 Manipulación de información.......................................................................200 18.4.3 Rutinas de biblioteca.....................................................................................200 18.5 Interfaz con el usuario........................................................................................ ..200 18.5.1 Shells y órdenes............................................................................................201 18.5.2 E/S estándar..................................................................................................201 18.5.3 Conductos, filtros y guiones de shell.................................................. ..........201 18.6 Gestión de procesos.............................................................................................201 18.6.1 Bloques de control de procesos.................................................. ...................202 18.6.2 Planificación de CPU....................................................................................202 18.7 Gestión de memoria.............................................................................................202 18.7.1 Intercambio...................................................................................................202 18.7.2 Paginación.....................................................................................................202 18.8 Sistema de archivos........................................................................... ...................203 18.8.1 Bloques y fragmentos...................................................................................203 18.8.2 I-nodos..........................................................................................................203 18.8.3 Directorios.....................................................................................................203 18.8.4 Transformación de un descriptor de archivo en un i-nodo...........................204 18.8.5 Estructuras de disco......................................................................................204 18.8.6 Organización y polí ticas de asignación.........................................................204 18.9 Sistemas de E/S....................................................................................................204


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FING - UDELAR 18.9.1 cache de buffers de bloques..........................................................................205 18.9.2 Interfaces con dispositivos crudas................................................................205 18.9.3 Listas C.........................................................................................................205 18.10 Comunicación entre procesos (IPC)..................................................................205 18.10.1 Sockets........................................................................................................205 18.10.2 Soporte para redes.......................................................................................206 19 El sistema Linux.........................................................................................................207 19.1 Historia.................................................................................................................207 19.1.1 El núcleo de Linux........................................................................................207 19.1.2 El sistema Linux...........................................................................................207 19.1.3 Distribuciones de Linux...................................................................... ..........207 19.1.4 Licencias de Linux........................................................................................208 19.2 Principios de Diseño............................................................................................208 19.2.1 Componentes de un sistema Linux........................................... ....................208 19.3 Módulos del Núcleo.............................................................................................209 19.3.1 Gestión de módulos.......................................................................................209 19.3.2 Registro de controladores.............................................................................209 19.3.3 Resolución de conflictos...............................................................................210 19.4 Gestión de procesos.............................................................................................210 19.4.1 El modelo de proceso fork/exec....................................................................210 19.4.1.1 Identidad del proceso............................................................... ............210 19.4.1.2 Entorno del proceso.............................................................................210 19.4.1.3 Contexto de un proceso.......................................................................210 19.4.2 Procesos e Hilos............................................................................................211 19.5 Planificación........................................................................................................211 19.5.1 Sincronización del núcleo.............................................................................211 19.5.2 Planificación de procesos..............................................................................212 19.5.3 Multiprocesamiento simétrico......................................................................212 19.6 Gestión de memoria.............................................................................................213 19.6.1 Gestión de memoria f ís ica............................................................................213 19.6.2 Memoria virtual............................................................................................213 19.6.2.1 Regiones de memoria virtual...............................................................213 19.6.2.2 Tiempo de vida de un espacio de direcciones virtual..........................214 19.6.2.3 Intercambio y paginación....................................................................214 19.6.2.4 Memoria virtual del núcleo..................................................................214 19.6.3 Ejecución y carga de programas de usuario............................................... ...214 19.6.4 Correspondencia entre los programas y la memoria.....................................214 19.6.4.1 Enlazado estático y dinámico..............................................................215 19.7 Sistema de archivos........................................................................... ...................215 19.7.1 El sistema de archivos virtual.......................................................................215 19.7.2 El sistema de archivos Linux ext2fs.............................................................216 19.7.3 El sistema de archivos proc de Linux...........................................................216


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FING - UDELAR 19.8 Entrada y salida....................................................................................................216 19.8.1 Dispositivos por bloques........................................................................... ....216 19.8.1.1 El cache de buffers por bloques...................................................... .....217 19.8.1.2 El gestor de solicitudes........................................................................217 19.8.2 Dispositivos por caracteres...........................................................................217 19.9 Comunicación entre Procesos..............................................................................217 19.9.1 Sincronización y señales...............................................................................217 19.9.2 Transferencia de datos entre procesos....................................... ...................218 19.10 Estructura de redes.............................................................................................218 19.11 Seguridad...........................................................................................................218 19.11.1 Validación...................................................................................................218 19.11.2 Control de acceso........................................................................................218 20 Windows NT...............................................................................................................220 20.1 Historia.................................................................................................................220 20.2 Principios de diseño.............................................................................................220 20.3 Componentes del sistema............................................................................. ........221 20.3.1 Capa de abstracción de hardware..................................................................221 20.3.2 Núcleo...........................................................................................................221 20.3.3 Ejecutivo.......................................................................................................223 20.3.3.1 Gestor de objetos.................................................................................223 20.3.3.2 Nombres de objetos.............................................................................223 20.3.3.3 Gestor de memoria virtual...................................................................223 20.3.3.4 Gestor de procesos...............................................................................225 20.3.3.5 Recurso de llamadas a procedimientos locales.................................. ..225 20.3.3.6 Gestor de E/S:......................................................................................226 20.3.3.7 Gestor de referencias de seguridad.......................................... ............227 20.4 Subsistemas de entorno........................................................................................227 20.4.1 Entorno MS-DOS................................................................................ ..........227 20.4.2 Entorno Windows de 16 bits................................................................... ......228 20.4.3 Entorno Win32..............................................................................................228 20.4.4 Subsistema POSIX........................................................................................228 20.4.5 Subsistema OS/2...........................................................................................228 20.4.6 Subsistemas de ingreso y seguridad............................................................ ..228 20.5 Sistema de archivos........................................................................... ...................229 20.5.1 Organización interna.....................................................................................229 20.5.2 Recuperación.................................................................................................230 20.5.3 Seguridad......................................................................................................230 20.5.4 Gestión de volúmenes y tolerancia de fallos.................................................230 20.5.5 Compresión...................................................................................................232 20.6 Trabajo con redes.................................................................................................232 20.6.1 Protocolos.....................................................................................................232 20.6.2 Mecanismos de procesamiento distribuido................................................ ...232


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FING - UDELAR 20.6.3 Redirectores y servidores.................................................................... ..........233 20.6.4 Dominios.......................................................................................................233 20.6.5 Resolución de nombres en redes TCP/IP................................................. .....234 20.7 Interfaz con el programador............................................................................. ....234 20.7.1 Acceso a objetos del n úcleo..........................................................................234 20.7.1.1 Compartimiento de objetos..................................................................234 20.7.2 Gestión de procesos......................................................................................234 20.7.3 Comunicación entre procesos.......................................................................235 20.7.4 Gestión de memoria......................................................................................235


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1 Introducción 1.1 Componentes de un Sistema de Computaci ón

1.2 Definición de sistema operativo Un sistema operativo es un programa o conjunto de programas que tornan productivo, amigable y eficiente el uso de un computador (hardware ) permitiendo ejecutar aplicaciones del usuario. 1.2.1 •

• •

•

Metas

Brindar un ambiente para realizar y ejecutar los programas y aplicaciones de los usuarios. Proveer un entorno sin interferencias a cada usuario. Administrar en forma equitativa los recursos de hardware y software del sistema. acer que el uso del sistema tan amigable, intuitivo y e!presivo como permita el estado de la tecnolog"a.

#odas las aplicaciones requieren un conjunto de operaciones comunes que son incorporadas al sistema operativo o a su entorno. 1.2.2

Tareas principales ●

Proveer uno o varios entornos y conte!to apropiado para la ejecuci$n de los programas de los usuarios de prop$sito general, incluyendo e!clusivamente el c$digo de la aplicaci$n.


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●

●

●

Podr% implementar diferentes entornos adecuados para diferentes usos, como interfaz gr%fica, l"nea de comando o shell, o transaccional tipo Web. &eber% proveer una o mas interfaces con el usuario, e!presivas e intuitivas. Proporcionar a las aplicaciones un conjunto de servicios a trav's de una interfaz conocida como system services Brindar eficiencia y equidad en la administraci$n de los recursos.

Examen marzo 2006: ¿Cuáles son los obetivos !rinci!ales de un sistema o!erativo"

El sistema operativo es un: ●

Administrador de recursos. ○ ○

●

Administra todos los recursos disponibles. &ecide c$mo asignar estos recursos seg*n los pedidos y asignaciones que tenga.

Programa de control. ○

+ontrola la ejecuci$n de los programas para la prevenci$n de errores y mal uso del sistema.

recuentemente, la porci$n residente del propio sistema operativo se denomina n*cleo del sistema (#ernel ).


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2 Perspectiva Histórica 2.1 Sistemas Batch (‘70) -n las primeras 'pocas los sistemas eran grandes y costosos. +onstaban de un entrada de trabajos o cola y una salida impresa. Pr%cticamente no ab"a interacci$n alguna con el usuario. /a funci$n principal era la del car$ador (loader ) de programas y soporte de -01 a dispositivos. -l sistema soportaba un *nico trabajo a la vez. %ectora de Entrada & 'roceso & (alida y resultado

/as tareas relacionadas, se agrupaban en conjuntos de trabajos o lotes (batches) para su procesamiento m%s eficiente. +on el advenimiento de los discos se comenz$ a realizar el (!ool de los dispositivos aciendo m%s r%pidas las operaciones e introduciendo por primera vez el solapamiento o concurrencia de operaciones. -l recurso m%s caro de la 'poca era el procesador (+PU), que ten"a un bajo porcentaje de utilizaci$n. 2.2 Sistemas Batch con Multiprogramaci ón (Com. ‘80) -l disponer de un 'ool de )obs en memoria secundaria y la implementaci$n de t'cnicas de multiprogramaci$n permiti$ desarrollar t'cnicas de !lanificaci*n de des!acho de  ob schedulin$ as" como de multiprogramaci$n. -l sistema deb"a seleccionar un subconjunto de trabajos o lotes ( obs) que estaban en memoria secundaria para cargar en memoria principal. -l sistema operativo seleccionaba un trabajo para ejecutar. +uando el trabajo seleccionado deb"a esperar por alguna tarea (por ej. ejecuci$n de una -01), el sistema eleg"a otro para utilizar el procesador. #odo esto implic$ el desarrollo de t'cnicas incipientes para el manejo de la memoria, ya que ab"a que compartirla entre todos los trabajos. /a multiprogramaci$n incrementa la utilizaci$n del recurso procesador. Examen diciembre 200+: ¿,u- se lo$ra en los sistemas multi!ro$ramados" )ustifi.ue/ es!uesta: (e lo$ra el incremento de utilizaci*n de C'1/ Esto se lo$ra al car$ar varios !rocesos en memoria y alternar la eecuci*n cuando se !roducen re.uerimientos de E( !or eem!lo/ Examen ulio 2003: ¿Cuál es la !rinci!al ventaa de la multi!ro$ramaci*n" es!uesta: %o$ra el incremento de utilizaci*n de C'1/ Esto se consi$ue al car$ar varios !rocesos en memoria y alternar la eecuci*n cuando se !roducen re.uerimientos de E( !or eem!lo/


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FING - UDELAR Examen marzo 2006: ¿,u- beneficios brinda el conce!to de multi!ro$ramaci*n" es!uesta: 4ncrementar el a!rovechamiento del sistema5 incluyendo los recursos de !rocesador5 dis!ositivos de E(5 memoria 5 etc/ arios !ro$ramas son car$ados en memoria y cuando al$uno se blo.uea5 el sistema o!erativo le asi$na la C'1 a otro !roceso/ Examen diciembre 2006: ¿,u- beneficio brinda la multi!ro$ramaci*n" 7iscuta se$8n el sistema sea mono!rocesador o multi!rocesador/ es!uesta: %a maximizaci*n del recurso !rocesador tanto en mono!rocesador como en multi!rocesadores / Examen ulio 2009: ¿Cuál es el beneficio de la multi!ro$ramaci*n"

2.3 Sistemas de tiempo compartido. (Fines ‘80) /os sistemas atch multiprogramados adolec"an de una nula interacci$n con el usuario adem%s de un tiempo de retorno (turnaround time; e!tenso. -l debu$< de un programa segu"a siendo tortuoso (dum! de la memoria). 1istemas de tiempo compartido, ejecutan programas en forma concurrente con una elevada tasa de despaco de procesador (context switch) de forma tal de permitir que usuarios interact*en directamente con el sistema como si fueran su *nico usuario. 1e debe combinar multiprogramaci$n con t'cnicas de !lanificaci*n de +PU (schedulin$) para proveer a cada usuario con una porci$n adecuada del sistema. /os sistemas de tiempo compartido (time sharin$ systems ) son una e!tensi$n l$gica de los sistemas multiprogramados. /os usuarios utilizaban terminales para implementar la interacci$n y eran atendidos por un shell o int'rprete de comandos (multiusuarios). /a calidad de la interacci$n era un resultado de la transmisi$n car%cter a car%cter o en modo bloque. #odos los usuarios cre"an tener el computador a su disposici$n. 1i bien un procesador ejecuta un *nico proceso por vez, el despaco del mismo 23 $ 43 veces por segundo entre diferentes tareas, le brinda a los usuarios la sensaci$n de que est% para su uso e!clusivo. -ste intercambio es tan frecuente que el usuario puede interactuar con el trabajo suyo con total comodidad. /a necesidad de acceder y actualizar datos en forma concurrente, cre$ la necesidad de evolucionar el sistema de arcivos a uno multiusuario, incorporando t'cnicas de protecci$n y serializaci$n del acceso. -n estas condiciones, los procesos deben contar con la memoria y procesador necesarias para su ejecuci$n eficiente dando forma a los requerimientos de los sistemas operativos de oy d"a. /a e!presi$n de gran porte de estos sistemas =ain>rame s incluy$ monitores de teleproceso e interacci$n con los usuarios mediante terminales que operaban en modo de transmisi$n por bloque. 2.4 Computadores personales (Fines ‘80) +on costos de hardware decrecientes fue posible el dise5o y uso de computadores personales. -l sistema era dise5ando en base a que ser"a dedicado a un *nico usuario. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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+on en un principio modestos recursos de procesador, el 'nfasis y desarrollo estuvo por mejorar la interfaz con el usuario. Para ello el sistema operativo debi$ ma!imizar la abilidad de interacci$n con el usuario en vez de uso de +PU, etc. /a interfaz de comandos abitual y dise5ada para t'cnicos fue substituida por la interfaz de ventanas que oy conocemos. #odo dispositivo es bueno si mejora la interacci$n con el usuario (audio, rat$n, video, micr$fono, c%mara, disquete, etc.). inalmente, los P+ invadieron el ambiente empresarial al ser dispuestos en red. Para ello, utilizando sistemas omog'neos y servidores con abilidades espec"ficas de impresi$n, base de datos, sistema de arcivo, seguridad, correo, etc.. -sta es la disposici$n reciente donde las aplicaciones se implementan en modalidad cliente6servidor (t'cnica obsoleta por las nueva erramientas desarrolladas para 7nternet). 2.5 Sistemas Paralelos (com. ’90) 1istemas donde se dispone de m%s de un procesador permiten la ejecuci$n simult%nea de m%s de un proceso. 1e clasifican en8 Sistemas altamente integrados(“tightly coupled ”). 1on sistemas ● en donde los canales de intercone!i$n son de alta velocidad (bus com*n o memoria compartida). Sistemas poco integrados (“closely coupled ”). 1istemas en ● donde los canales de intercone!i$n son de baja velocidad relativa. 1istemas en red. •

Sistemas Simétricos o Asimétricos en función de si hay especialización o no de los procesadores .1

2.6 Taxonom í a de Flynn (comienzos de los '90): +aracteriz$ las arquitecturas de computadores y los datos sobre los cuales 'stas se aplican8 ●

●

●

●

SISD (Single Instruction, Single Data )8 una arquitectura secuencial

donde no e!iste paralelismo (sistemas monoprocesadores). SIMD (Single instruction, Multiple Data )8 sistemas que ejecutan la misma instrucci$n sobre un conjunto distinto de datos (sistemas vectoriales). MISD ( Multiple Instruction, Single Data): utilizado para paralelismo redundante. MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data ): sistemas con procesadores aut$nomos que ejecutan en forma simult%nea diferentes instrucciones sobre diferentes datos.

&entro de los sistemas MIMD se suelen acer dos divisiones8 Sistemas de memoria compartida8 sistemas donde los ● procesadores coe!isten en un *nico nodo o en un sistema altamente integrado. -scalan poco debido a que el acceso a memoria desde los procesadores se convierte en un 9cuello de botella9. Sistemas de memoria distribuida8 son sistemas donde los nodos ● son independientes que se interconectan a trav's de una red de alta velocidad. -scalan a miles de procesadores. 1 Quitado de las transparencias en 2008


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2.7 Sistemas Paralelos Multiprocesadores Sistemas asimétricos8 al surgir los sistemas multiprocesadores los ● n*cleos de los sistemas operativos se modificaron para soportar este tipo de sistema. /a forma m%s sencilla fue asignar la ejecuci$n de c$digo del n*cleo a un *nico procesador. &e esta forma, los sistemas operativos no ten"an que lidiar con la programaci$n concurrente, ya que su c$digo estaba restringido a ejecutarse en un *nico procesador. Posteriormente, se empez$ a asignar ciertas tareas a otros procesadores, generando una jerarqu"a entre ellos. Sistemas simétricos. al avanzar el dise5o de los sistemas operativos ● se desarrollaron sistemas en donde el c$digo del n*cleo se dispone en la memoria com*n y puede ser ejecutado por cualquier procesador. 1e pierde la jerarqu"a de los sistemas asim'tricos y todos los procesadores pasan a ser sim'tricos. /a reentrancia< del n*cleo se transforma en una necesidad cr"tica. /os proveedores debieron


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redise5ar totalmente sus sistemas operacionales. -l c$digo del sistema operativo, al igual que el anco de banda de la memoria, se transforman en un recursos cr"ticos, que determinan la escalabilidad del sistema. Examen marzo 200+: 7efina sistema multi!rocesador sim-trico y asim-trico/ Examen diciembre 200+: ¿,u- ti!o de !rocesamientos existen en un sistema multi!rocesador" 7escriba brevemente cada uno de los .ue nombre/ es!uesta: =ulti!rocesamiento sim-trico: el n8cleo del sistema o!erativo !uede correr en cual.uier !rocesador/ =ulti!rocesamiento asim-trico: cada !rocesador tiene asi$nadas tareas es!ec?ficas/ Existe un !rocesador maestro donde corre el n8cleo del sistema/ Examen ulio 2003: En una ar.uitectura multi!rocesador5 ¿ser?a conveniente utilizar un sistema o!erativo cuyas !rimitivas o servicios no sean en su mayor?a reentrantes"/ )ustifi.ue/ es!uesta: @o5 dado .ue el c*di$o no reentrante si es eecutado simultáneamente !or más de un !roceso !uede $enerar inconsistencias/ Examen diciembre 2003: En un e.ui!o multi!rocesador .ue dis!one de + !rocesadores5 se instal* un sistema o!erativo basado en multi!rocesamiento sim-trico/ ¿%os !rocesos del sistema o!erativo !ueden eecutar en cual.uiera de ellos5 o son restrin$idos a ser eecutados en al $8n !rocesador es!ec?fico" 7e estar restrin$ido5 describa como se or$aniza la estructura de los !rocesadores/ es!uesta: Al ser un sistema o!erativo sim-trico B(='; los !rocesos del sistema o!erativo !ueden eecutar en cual.uier !rocesador sin restricciones/ Examen febrero 200: En un e.ui!o multi!rocesador5 ¿.u- beneficio se obtiene el tener un sistema o!erativo sim-trico frente a uno asim-trico"

os sistemas multiprocesadores se caractri!an en dos tipos: ●

●

Sistemas "MA (Uniform Memory Access)8 acceso uniforme a la

memoria. +ada procesador accede a cualquier lugar de memoria a la misma velocidad. Sistemas #"MA (Non-Uniform Memory Access ): acceso no uniforme a la memoria. /os procesadores tienen un conjunto de memoria a la cual acceden m%s r%pido que el resto.

Examen febrero 2003: =encione el !rinci!al !roblema .ue debe enfrentar un sistema o!erativo si eecuta sobre un e.ui!o multi!rocesador5 con una 8nica memoria com8n/ es!uesta: El !rinci!al desaf?o es !rote$er las secciones cr?ticas del sistema o!erativo/ Esto no era un !roblema cuando hab?a un solo !rocesador y a lo sumo un !roceso del sistema eecutando en un momento dado/

2.8 Sistemas Cluster 1on sistemas donde participan varios nodos. 1e enfocan en brindar alta disponibilidad y balance de carga. /os nodos est%n interconectados por varios canales para verificar (monitorear) el estado de cada uno. /os cluster de alta disponibilidad se pueden estructurar en sim'tricos o asim'tricos8 Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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●

Simétricos8 todos los nodos ejecutan tareas y asumen las de otros

ante fallas (activo6activo). Asimétricos8 e!isten nodos primarios donde se ejecutan las tareas y nodos secundarios que est%n a la espera de una falla para asumir el rol de primario (activo6pasivo).

2.9 Sistemas de Tiempo Real -n sistemas de este tipo estricto, todo resultado debe producirse en un cierto tiempo, o de lo contrario el sistema falla. -n la pr%ctica, sistemas de tiempos compartido con prioridades din%micas y despaco !reem!tivo en general pueden ser utilizados en estas condiciones ya que adem%s se pueden utilizar como de prop$sito general. 2.10 Sistemas Multimedia 1istemas especializados en la incorporaci$n de datos multimedia (audio y video). -stos tipos de datos deben reproducirse bajo ciertas restricciones de tiempo. 2.11 Sistemas de Mano 1istemas P&A ('ersonal 7i$ital Assistant; como 'A%=s, 'oc#etD'Cs, telefon"a m$vil. Utilizan sistemas operativos embebidos que tienen grandes limitaciones de recursos y altos requerimientos de prestaciones. Examen abril 200: 7escriba las !rinci!ales caracter?sticas de los si$uientes ti!os de sistemas o!erativos: F/ 'or lotes 2/ 4nteractivos / 7e tiem!o com!artido +/ 7e tiem!o real 3/ 7istribuidos es!uesta: 'or lotes ecibe un fluo de trabaos se!arados5 los eecuta y vuelca los resultados de los mismos5 devolvi-ndolos !or una im!resora5 medio de almacenamiento o similar/ (e caracterizan !or la ausencia de interacci*n entre el usuario y el trabao en tanto .ue este se eecuta/ El t-rmino G!or lotesG se refiere a un modelo en .ue los trabaos similares se a$ru!aban en lotes5 a fin de reducir el tiem!o total dedicado a !re!arar el com!utador entre distintos trabaos/ %os sistemas modernos no !resentan esta limitaci*n/ 4nteractivos 'rovee una comunicaci*n en l?nea entre el usuario y el sistema5 donde el usuario da instrucciones al sistema o a las a!licaciones5 y recibe una res!uesta a la misma/ 7e tiem!o com!artido Es un caso !articular de la multi!ro$ramaci*n5 donde la C'1 es com!artida entre los !rocesos con una frecuencia alta5 !resentándose al usuario como si este tuviera su !ro!io com!utador/ 7e tiem!o real En $eneral se usan !ara el control de a!licaciones dedicadas/ Hiene restr icciones tem!orales bien definidas5 !or lo .ue si el !rocesamiento no se l leva a cabo dentro de l?mites es!erados5 el sistema falla/ 7istribuidos (on un conunto de com!utadoras inde!endientes Bdesaco!ladas en cuanto a hardware5 no com!arten memoria ni relo; comunicadas !or una red5 .ue se !resentan al usuario en la mayor medida .ue sea !osible5 como un 8nico sistema/ (u motivaci*n son com!artir recursos Bmeorar la utilizaci*n; y aumentar tanto la escalabilidad como la confiabilidad/ Examen marzo 200+:


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FING - UDELAR 7escriba brevemente: sistemas batch5 sistemas de tiem!o com!artido5 sistemas de tiem!o real y sistemas distribuidos/ Examen febrero 2003: 7efina brevemente: sistema distribuido y sistema de tiem!o real/ es!uesta: (istema distribuido: (istema o!erativo fuertemente aco!lado en software y d-bilmente aco!lado en hardware5 donde los !rocesadores no com!arten memoria f?sica ni relo/ El obetivo es com!artir recursos5 com!artir car$as5 sostener la comunicaci*n entre !rocesos y usuarios5 y aumentar la confiabilidad del conunto/ (istema de tiem!o real: (istema .ue tiene restricciones tem!orales bien definidas5 a diferencia de los sistemas !or lotes o de tiem!o com!artido/ %a eecuci*n !ara considerarse correcta debe hacerse dentro de un mar$en de tiem!o definido/ Ieneralemente se utilizar J= en vez de almacenamiento secundario/ (uelen utilizarse !ara a!licaciones dedicadas/


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3 Estructura de los Sistemas de Computación 3.1 Componentes de un sistema $P" (procesador)

Unidad central de procesamiento (procesador). /a velocidad del +PU es varios $rdenes mayor con respecto al acceso a memoria.

Memoria

Permite mantener la informaci$n disponible. -!iste una :erarqu"a de memoria8 registros, caches, memoria f"sica de tipo ;A< (andom Access =emory ), dispositivos magn'ticos y $pticos.

Dispositi%os de &ntrada'Salida (I)

Permiten interactuar con el sistema. Algunos dispositivos8 7mpresoras, teclados, rat$n, video, discos duros, etc.

3.1.1

CPU (procesador)

/a unidad central de procesamiento es la que ejecuta los programas. -n un sistema puede aber m%s de una. -l ciclo b%sico consiste en tomar la instrucci$n apuntada por el P+ ( !ro$ram counter ) (fetchin$), decodificarla para determinar su tipo y operandos (decodin$ ), ejecutarla (executin$), y luego continuar con la siguiente instrucci$n. Arquitecturas modernas aumentan la !erformance ejecutando las operaciones en paralelo (fetchin$5 decodin$5 executin$). -sta t'cnica es conocida como !i!elin$. Cada C'1 eecuta un conunto de instrucciones es!ec?ficoBverificar;/

-!isten varias arquitecturas de procesadores, se clasifican en IS$ (educed 4nstruction (et Com!uter ) y $IS$ (Com!lex 4nstruction (et Com!uter ). Algunas arquitecturas8 1PA;+, !=>, Po?er, 7tanium. /a velocidad del procesador es varios $rdenes de magnitud mayor que la velocidad de acceso a informaci$n que est% en memoria vol%til (;A<). -sto implic$ la creaci$n de registros a nivel del procesador y finalmente una cache de memoria (caches de @er. nivel, do. nivel y asta 2er. nivel). /os registros son la memoria m%s r%pida que accede un procesador y est%n integrados al chi!. -n los *ltimos a5os an surgido procesadores que en un mismo chi! contienen varios cores de ejecuci$n. -sto a llevado a una nueva terminolog"a8 sin$leDcore5 dualDcore5 .uadDcore , etc. Instrucciones

J!erador J!erandos///


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/os operandos pueden ser inmediatos, registros, relativos, de memoria &1817C seg*n diferentes t'cnicas. (visto en Arquitectura de sistemas). /as familias de instrucciones incluyen8 aritm'ticas, l$gicas, transferencia control B)m!5 Call5 %oo! , etc), de memoria, de stac# , de sincronizaci$n (loo!z %oc#:KCh$ ax ) y de entrada y salida. &entro del mismo chi! del procesador se incluyen registros de r%pido acceso8 ;egistros punto fijo y punto flotante (decimal o no). ● ;egistros de direccionamiento -1, 11, &1, +1, etc. ● ;egistro de -stado. 7ncluye P+ y banderas con Lero, Carry . ● ● Caches 8 @er. Divel (del orden de 3 Eb). ○ do. Divel (del orden de F@Eb a 
1e establecen niveles de ejecuci$n y conjunto de instrucciones para cada nivel. Un protocolo seguro para aumentar el nivel de ejecuci$n que se basa en siempre transferir el control a c$digo autenticado (trusted) para aumentar el nivel de ejecuci$n. amilias de -01, protecci$n de memoria, memoria virtual. Interrupciones

+apacidad de procesar interrupciones. -l sistema operativo preserva el estado actual (previo a la interrupci$n) del procesador (registros, etc.). 1e determina qu' tipo de interrupci$n ocurri$. 1e ejecuta la rutina de atenci$n correspondiente.

3.1.2

Memoria

-l sistema de memoria se construye en base a una jerarqu"a, lo que permite mejorar la utilizaci$n del procesador8


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FING - UDELAR 3.1.2.1

Cache

-l cache es un principio muy importante, es utilizado a varios niveles en el sistema de computaci$n (hardware , sistema operativo, software ). -l concepto es mantener una copia de la memoria que est% siendo utilizada en un medio temporal de mayor velocidad. -l medio de memoria cache es muco menor y mas veloz que el dispositivo principal. -sto genera que el manejo de cache sea un problema de dise5o importante. -l tama5o del cache y sus pol"ticas de reemplazo tienen un alto impacto en la mejora real de la !erformance. Examen marzo 2009: ¿,u- entiende !or memoria cache"

$o*erencia de cache

Un problema que introduce la memoria cache en ambientes de multiprocesadores, es la coerencia y consistencia de los datos que est%n replicados. Caches en multiprocesadores8 ● ●

●

●

●

Examen ulio 2003: En una ar.uitectura multi!rocesador5 describa las ventaas y desventaas de contar con cache a nivel de los !rocesadores/ es!uesta: %a cache a nivel de !rocesador incrementa el desem!eMo ya .ue los !rocesadores !ueden obtener los datos de la cache Bco!ias de los datos en memoria !ri nci!al; y evitar la b8s.ueda en la memoria !rinci!al/ 'or otro lado5 se debe mantener la coherencia entre los datos de las caches lo cual vuelve más com!leo el hardware necesario/

3.1.2.2

Memoria principal (RAM)

4 bits con paridad. #ransferencia en un ciclo del bus y acceso interlaceado (interleavin$) a m%s de un m$dulo de memoria. -!isten instrucciones que toman como argumentos direcciones e memoria. -s *til tambi'n para acer transferencias con controladoras de dispositivos. /as controladoras tienen su propio buffer de memoria, y e!isten instrucciones de -01 que permiten la transferencia directa desde el buffer a memoria principal (%er DMA). 3.1.2.3 Discos magn é ticos (hard disk)

&ispositivos de velocidad de acceso muco menor que la memoria principal, pero de mayor capacidad. #iene componentes mec%nicas a diferencia de la memoria principal, cache y registros. +onsta de platos de metal (@3333 $ m%s rpm) y un brazo mec%nico que contiene las cabezas de lectura0escritura para cada plato. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

24

FING - UDELAR

●

Pistas (tracks): /a superficie de los platos es dividida l$gicamente en

●

Sectores (sectors): +ada pista es dividida en un conjunto de

●

$ilindros (cylinder ): -l conjunto de pistas (de todos los platos) que

pistas circulares. sectores.

est%n en una posici$n del brazo mec%nico forman un cilindro

/a velocidad del disco se compone de dos partes8 ●

+asa de transerencia (transfer rate): es la tasa con la cual los

●

+iempo de posicionamiento ( positioning time): es el tiempo que

datos van entre el disco y la computadora.

se tarda en ubicar el brazo en el cilindro adecuado (see# time), m%s el tiempo de rotar el plato al sector adecuado (rotational latency ). /a unidad de transferencia es el bloque. Gcasionalmente los bloques pueden estar con interleavin$ . -!isten distintos tipos de buses de cone!i$n: 7&- (4nte$rated drive electronics ), ● A#A ( Advanced Hechnolo$y Attachment ) ● 1+17 ((mall Com!uterD(ystems 4nterface ) ● 1A1 ((erial Attached (C(4) ● 3.1.3

Dispositivos de Entrada/Salida (IO)

/os dispositivos, por lo general, constan de una controladora y el dispositivo en s".


25

FING - UDELAR

/a controladora es un chi! que controla f"sicamente al dispositivo. Acepta comandos del sistema operativo y los ejecuta (genera las correspondientes se5ales sobre el dispositivo para realizar la tarea). /a interfaz que le presenta la controladora al sistema operativo es bastante m%s simple que la provista por el dispositivo. -n un sistema e!isten distintas controladoras (de discos, red, etc.), por eso es necesario distintos componentes de software para manejar cada uno. 3.1.3.1

Device Drivers

Al software que se comunica con la controladora se le denomina device driver / Para cada controladora se debe de proveer el device driver adecuado. -stos son incorporados al sistema operativo dado que son la v"a de comunicaci$n con los dispositivos. Examen marzo 2003: ¿,u- es lo .ue im!lementan los maneadores de los dis!ositivos Bdevice drivers;" ¿>orman !arte del sistema o!erativo"/ )ustifi.ue/ es!uesta: 4m!lementan !rimitivas definidas !or el sistema o!erativo utilizando el len$uae del dis!ositivo/ (?5 el sistema o!erativo es el encar$ado de administrar el hardware5 y de !resentar al usuario una interfaz !ara el uso de los distintos com!onentes del sistema/ Examen febrero 2009: a/ ¿%os maneadores de dis!ositivos Bdevice drivers; son un com!onente de hardware o software" b/ ¿Cuál es su funci*n !rinci!al" es!uesta: a/(oftware/ b/ Nacer la traducci*n de los !edidos .ue el sistema realiza sobre el dis!ositivo Odialo$ando< con la controladora del dis!ositivo/ El maneador de dis!ositivo Bdevice driver;5 !or lo $eneral5 im!lementa un conunto de !rimitivas de alto nivel Bim!uestas !or el sistema o!erativo;5 .ue realizan la traducci*n de los !edidos y res!uestas .ue $enera el sistema/ 'ara esto5 es necesario .ue se !ueda comunicar con el controlador del dis!ositivo en el len$uae .ue -ste !ro!one/

/os device drivers son cargados de diferentes formas8 ● ●

●

-nsamblarlos est%ticamente al n*cleo del sistema. +uando se carga el sistema se lee un arcivo de configuraci$n que dice cu%les device drivers cargar. +argar din%micamente a demanda.

/as controladoras contienen un conjunto de registros que sirven para comunicarse con ella y ejecutar comandos. -j.8 la controladora de un disco podr"a tener registros para especificar la direcci$n en disco, la direcci$n en memoria principal, el n*mero de sectores y el sentido (lectura y escritura). Acceso a los registros de la controladora8 Memory-mapped-I8 /os registros son mapeados a direcciones de memoria principal. Direct I instructions8 A los registros se les asigna una direcci$n de puerto (4J !ort address )/ •

•

3.1.3.2

Memory-mapped-IO

Para facilitar el acceso a registros de los dispositivos, se reserva un espacio de la memoria principal que mapea a los registros del dispositivo.


26

FING - UDELAR

/eer o escribir en los registros de los dispositivos se traduce en leer o escribir sobre las direcciones de memoria. Al operar sobre estas direcciones de memoria se genera la transferencia a los registros del dispositivos en forma transparente. /as direcciones de memoria deben ser puesta fuera del alcance de los procesos del usuario. E/: %a !antalla es Oma!eada< a un lu$ar de memoria/ 'ara des!le$ar un carácter en !antalla solo basta con escribir sobre el lu$ar correcto de la memoria !rinci!al/ 3.1.3.3

IO port address

A cada registro se le asigna una direcci$n de puerto. -l sistema cuenta con instrucciones privilegiadas IN y U! que permiten a los device drivers leer o escribir en los registros de la controladora. /a instrucci$n genera se5ales en el bus del sistema para seleccionar el dispositivo adecuado. 3.1.3.4 Comparaci ó n de acceso

/os sistemas manejan los dos m'todos de accesos a los registros de la controladora. -l acceso memoryDma!!ed 4J no necesita de instrucciones privilegiadas. -l acceso a trav's de instrucciones tiene la ventaja de no consumir memoria principal. 3.1.3.5 Interacci ó n con la controladora

<'todos para efectuar una operaci$n de entrada6salida8 &spera acti%a ("olling)8 -l procesador le comunica un pedido a la ● controladora del dispositivo y queda en un Hbusy waitin$I consultando a la controladora si est% listo el pedido. ● Interupciones (Interrupts)8 -l procesador le comunica el pedido a la controladora y se libera para realizar otras tareas. Al culminar el pedido el dispositivo, la controladora genera una interrupci$n al procesador. Acceso directo a memoria (DMA # Direct Memory Access )8 1e ● utiliza un chi! especial que permite transferir datos desde alguna controladora a memoria sin que el procesador tenga que intervenir en forma continua. 3.1.3.5.1

Polling

-l sistema queda en busy waitin$ consultando un registro del controlador para saber si est% listo.


27

FING - UDELAR $%&' Imprimir un uffer en una impresora&

p = copy_from_user(buffer, k_buffer, count); for (i = 0; i < count; i++) { while (*printer_status_re != "#$%&) ; *printer_'atareister = pi;  return_to_user(); 3.1.3.5.2

Interrupciones

-l sistema se independiza del controlador, que genera una interrupci$n cuando finaliza el pedido. -s necesario tener un vector de rutinas de atenci$n de interrupciones (interrupt vector ), que es cargado cuando se inicia el sistema operativo. $%&' Imprimir un uffer en una impresora&

p = copy_from_user(buffer, k_buffer, count); while (*printer_status_re != "#$%&) ; i = 0; *printer_'atareister = pi; sche'uler(); $%&' )utina de atenci*n de la interrupci*n&

if (i == count) unblock_user(); else { i++; *printer_'atareister = pi;  return_from_interrupt(); 3.1.3.5.3

DMA

1e dispone de un dispositivo especializado que permite realizar transferencias desde ciertos dispositivos a memoria. /a transferencia sea ace en paralelo mientras el procesador realiza otras tareas. -l procesador carga ciertos registros en el controlador &
p = copy_from_user(buffer, k_buffer, count); set_up_%$_controller(); sche'uler(); $%&' )utina de atenci*n de la interrupci*n de DMA&

unblock_user(); return_from_interrupt(); Examen febrero 2006:


28

FING - UDELAR 7escriba dos m-todos a trav-s de los cuáles el sistema o!erativo se entera de .ue un dis!ositivo de E( ha finalizado un !edido $enerado !or el sistema o!erativo5 mencionando las !rinci!ales caracter?sticas de cada uno y com!are los mismos/ es!uesta: 'ollin$ B@ota: ver si hay diferencia con 'ro$rammed 4J; e 4nterru!ciones/ 'ollin$: El sistema realiza el !edido y .ueda en una iteraci*n consultando el Pbusy bitQ del controlador del dis!ositivo hasta .ue este .uede lim!io BseMal .ue finaliz*;/ 4nterru!ciones: El sistema realiza el !edido y será avisado de la finalizaci*n a trav-s de una interru!ci*n/ El !ollin$ tiene como desventaa el hacer Pbusy waitin$Q/ Ciclos de C'1 serán des!erdiciados/ En cambio el m-todo de interru!ciones !ermite eecutar otros !rocesos mientras el dis!ositivo realiza el !edido/ El !ollin$ ser? a 8til en casos en .ue el dis!ositivo est- libre y .ue ten$a mayor velocidad .ue la del !rocesador/ %as interru!ciones !ermiten un maneo asincr*nico y además !ermiten ser atendidas cuando el sistema o!erativo lo crea conveniente/ Examen diciembre 2006: 7escriba  m-todos !ara efectuar una o!eraci*n de Entrada(alida/ B>ormas de interacci*n con la controladora del dis!ositivo;/

3.2 Protecci ón de Hardware +on la introducci$n de sistemas multiprogramados y multiusuarios se empezaron a generar problemas debido a procesos mal programados o mal intencionados. ue necesario la introducci$n de protecci$n entre los distintos procesos que ejecutaban en un sistema. -l hardware fue proveyendo a los sistemas operativos de mecanismos para la protecci$n8 ●

Modo Dual8 se provee de al menos dos modos de operaci$n. Protecci-n de &'S8 todas las instrucciones de -ntrada01alida son

●

Protecci-n de Memoria8 evaluaci$n de las direcciones de memoria a

●

Protecci-n de $P"8 introducci$n de un timer que permite limitar el

●

privilegiadas.

trav's de la <
Examen ulio 2003: ¿7e .u- forma se !uede $arantizar .ue todos los accesos a los dis!ositivos5 !or !arte de un !roceso5 se deban hacer a trav-s del sistema o!erativo" es!uesta: Jbli$ando a .ue las instrucciones de hardware .ue acceden al dis!ositivo sean !rivile$iadas/ 7e estar forma5 solo el sistema o!erativo !uede eecutarlas/ Examen marzo 2006: En los sistemas multi!ro$ramados y multiusuarios !ueden existir !roblemas !or !rocesos mal !ro$ramados o mal intencionados/ Esto !uede llevar al sistema a un estado inconsistente/ Enuncie y comente brevemente distintos mecanismos !rovistos !or hardware .ue !ermiten !rote$erse de este ti!o de !ro$ramas/ Examen diciembre 2006: El modo de eecuci*n !rovisto !or hardware !ermiten brindar !rotecci*n entre los !rocesos/ 7escriba dos formas más de !rotecci*n .ue se !roveen a nivel de hardware/ Examen marzo 200: 7escriba dos mecanismos de !rotecci*n .ue le brinda el hardware al sistema o!erativo/

3.2.1

Modo Dual

-l hardware provee de dos modos de ejecuci$n8


29

FING - UDELAR •

•

Modo usuario (user mode)8 en este modo de ejecuci$n se puede

ejecutar un conjunto reducido de instrucciones de hardware . /os procesos a nivel de usuarios ejecutan en este modo. Modo monitor (monitor mode)8 en este modo todas las instrucciones de hardware est%n disponibles. -l sistema operativo es el *nico que debe ejecutar en este modo.

Un bit , llamado mode it , es agregado al hardware para indicar el modo actual. /a ejecuci$n de instrucciones privilegiadas en el modo monitor garantiza que los procesos, a nivel de usuario, no accedan directamente a los dispositivos de -01. -l acceso a un dispositivo se realiza a trav's de los servicios que brinda el sistema operativo (syscall). /a solicitud de un servicio al sistema operativo es tratado como una interrupci$n a nivel de software (tra!), y en ese momento el sistema pasa de modo usuario a modo monitor. -n Intel la instrucci$n int +. genera el cambio de modo. Posteriormente, se ejecuta el handler de la e!cepci$n 3!=3 (@= decimal). Es.uema $ráfico del cambio de modo:

Examen marzo 200: ¿'or .ue es necesario contar con dos modos de eecuci*n distintos como ser modo su!ervisor y modo usuario"/ Ex!li.ue en detalle los !rocedimientos .ue !ermiten $arantizar la inte$ridad de un sistema o!erativo multiusuario/ e!uesta: 'ara ase$urar la ausencia de inteferencias entre !rocesos5 en !articular la memoria en un ambiente de multi!ro$ramaci*n5 donde es com!artida entre distintos !ro$ramas y el mismo sistema/ Es !osible definiendo un conunto de instrucciones !rivile$iadas .ue el hardware !ermite eecutar s*lo en modo su!ervisor5 y un !rotocolo .ue !ara aumentar el nivel de eecuci*n transfiere el control a c*di$o autenticado del #ernel/ Examen diciembre 200+: ¿,u- !ermite el bit de modo !rovisto a nivel de hardware" es!uesta: El bit de modo !ermite tener dos modos de eecuci*n: modo monitor y modo de usuario/ El sistema o!erativo eecuta en modo monitor y los !rocesos de usuario eecutan en modo de usuario/ 7e esta forma5 se !ermite !rote$er el sistema de !ro$ramas .ue funcionan mal/

3.2.2

Protecci ó n de E/S

-s necesario proteger al sistema de que los procesos a nivel de usuario no accedan directamente a los dispositivos, sino que deben acerlo a trav's del 1G. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

30

FING - UDELAR

#odas las instrucciones de -01 se definen como privilegiadas. Asegurarse que un programa a nivel de usuario nunca pueda lograr cambiar el modo a monitor. Un usuario podr"a ingresar una nueva interrupci$n, modificar una ya e!istente, o cambiar el vector de interrupci$n y luego generar un tra! (interrupci$n por software ) para que ejecute. 3.2.3

Protecci ó n de Memoria

-s necesario proteger la memoria del n*cleo (p.ej.8 el vector de interrupciones) y, a su vez, proteger el acceso de memoria entre los distintos procesos (un proceso no deber"a acceder a la memoria de otro). -l sistema debe lograr saber si cada direcci$n generada por un proceso es v%lida. Para esto se necesario de dos registros8 ase: +ontiene la direcci$n de memoria f"sica m%s baja que puede ● acceder. ● /mite: +ontiene el tama5o del memoria a partir del base. Es.uema $ráfico de la !rotecci*n a trav-s de re$istros base y l?mite:

+ada direcci$n f"sica generada por la +PU debe ser controlada para comprobar si es una direcci$n v%lida. -n caso de una acceso inv%lido se genera un tra! al sistema operativo. /a unidad que ace convierte direcciones l$gicas a f"sicas es la MM" (=emory =ana$ement 1nit )5 y es la que controla el acceso a memoria. /os unidad <
3.2.4

Protecci ó n de CPU

Una vez que a un proceso se le asigna el recurso procesador, puede entrar en una iteraci$n infinita (infinite loo! ) y no retornar nunca m%s el control al sistema. &eben e!istir mecanismos de protecci$n del uso del procesador.


31

FING - UDELAR

Una alternativa es la utilizaci$n de un timer que interrumpa el procesador cada cierto tiempo (watch do$ timer ). -l sistema operativo al asignar la +PU carga un contador. +ada vez que la interrupci$n de timer se genera se ejecuta la rutina de atenci$n correspondiente. -n la rutina de atenci$n de la interrupci$n el contador es decrementado (envejecimiento). 1i llega al valor 3, se le quita el recurso procesador al proceso y se invoca al planificador. /a instrucci$n que permite cargar el contador es privilegiada. Examen diciembre 200+: ¿C*mo se !rote$e el excesivo uso de C'1 !or !arte de un !roceso" es!uesta: A trav-s de un timer/ Cada cierta interru!ci*n a nivel de hardware/ Examen febrero 2009: ¿En un sistema com!utacional5 .u- !ermite la !rotecci*n de C'1" es!uesta: %a !rotecci*n de C'1 !ermite .ue los !rocesos no se a!oderen de forma indefinida del recurso !rocesador/ (i no se existiera en una ambiente de tiem!o com!artido5 los !rocesos !odr?an hacer un uso excesivo del !rocesador5 limitando a otros del recurso/

3.3 Red /as redes se pueden clasificar, b%sicamente, en dos tipos8 ●

●

ed A# (ocal Area #et0or1)8 son peque5as y su alcance est%

limitado por lo general a no m%s de un edificio. Jelocidades de @3, @33 $ @333 Kbits0s. ed 2A# (2ide Area #et0or1)8 las redes LAD son redes distribuidas sobre una regi$n grande. Jelocidades de @,F a @33
/a diferencia principal es c$mo est%n geogr%ficamente distribuidas. 3.3.1

LAN - Local Area Network

1on redes que interconectan sistemas a corta distancia y se tiende a tener intercone!iones de alta velocidad con baja tasa de error.

3.3.2

WAN - Wide Area Networks

1on redes que interconectan sistemas remotos. /os enlaces por lo general son provistos por empresas de telecomunicaciones.


32

FING - UDELAR

3.3.3

Topolog í as de red

/as redes pueden estar interconectadas de diferentes formas -sto depender% de8 ●

$ostos b3sicos8 qu' costo a nivel monetario implica interconectar la

●

$osto a ni%el de comunicaci-n8 qu' tiempo lleva enviar un mensaje

●

red.

desde un nodo a otro de la red. #i%el de conian!a8 qu' tan resistente es la red ante eventuales fallos de componentes.

●

/as topolog"as que se implementen depender%n de estas tres variables. Es.uema $ráfico de al$unas to!olo$?as más comunes:

Examen marzo 2003: 7escriba lo .ue entiende !or sistema altamente aco!ladointe$rado/ es!uesta: Es un sistema multi!rocesador en donde los !rocesadores com!arten un bus com8n de alta velocidad5 el relo5 la memoria y los dis!ositivos/ Examen diciembre 2003/ ¿Cuáles son las !rinci!ales actividades del sistema o!erativo relacionadas con maneo de memoria !rinci!al" ¿y cuáles son las relacionadas con el maneo de vol8menes y archivos es!uesta: o =aneo de =emoria !rinci!al =antener re$istros de .u- !artes de la memoria están siendo utilizados y !or .ui-n/ 7ecidir .u- !rocesos serán car$ados en memoria cuando .uede es!acio libre/ Asi$nar y .uitar es!acio de memoria de acuerdo a la necesidad/ o =aneo de vol8menes y archivos: 7efinir5 eliminar5 incor!orar vol8menes/ Administraci*n de vol8menes/ 








33

FING - UDELAR Creaci*n y eliminaci*n de archivos/ Creaci*n y eliminaci*n de directorios/ (o!ortar !rimitivas !ara la mani!ulaci*n tanto de archivos como de directorios/ =a!eo de archivos en el almacenamiento secundario/ es!aldos de archivos en medios de almacenamiento estables Bno volátiles; 

 

 


34

FING - UDELAR

4 Estructura de los Sistemas Operativos 4.1 Componentes del sistema operativo Por su complejidad un sistema operativo debe ser, en su implementaci$n, modulari!ado en varios componentes8

●

Administraci$n de procesos. Administraci$n de memoria. 1ubsistema de -01. Administraci$n de almacenamiento secundario. 1ubsistema de arcivos. 1ubsistema de red. 1istema de protecci$n.

●

4nt-r!rete de comandos/

● ● ● ● ● ●

4.1.1 Administraci ó n de procesos Proceso8

Un programa en la memoria M +PU M dispositivos M recursos constituyen un proceso. Un programa es una entidad pasiva, mientras que un proceso es una entidad activa. +ada proceso cuenta con un contador de programa ('C !ro$ram counter ) que determina la pr$!ima instrucci$n de c$digo a ejecutar. -l proceso necesita de ciertos recursos (+PU, memoria, arcivos, y dispositivos de -01) para realizar su tarea. -l sistema albergar% mucos procesos compitiendo por los recursos y ser% el responsable de proveer de medios o servicios para que realicen su tarea8 +rear y destruir procesos. ● 1uspensi$n y reanudaci$n de procesos. ● Proveer mecanismos para la cooperaci$n (sincronizaci$n) y ● comunicaci$n entre los procesos. Proveer mecanismos para prever la generaci$n de deadloc#s o lograr ● salir de ellos. 4.1.2

Administraci ó n de memoria

/a memoria principal es un arreglo de palabras o bytes. -s un repositorio de datos de r%pido acceso compartido por los +PUs y los dispositivos. /a memoria es un %rea de almacenamiento com*n a los procesadores y dispositivos del sistema d$nde se almacenan programas, para su ejecuci$n, y datos. -l vincular programas a direcciones absolutas es fuertemente dependiente del hardware igual que la posibilidad de reubicaci$n. -l sistema deber% administrar el lugar libre y ocupado, decidir qu' proceso podr% comenzar cuando es cargado en memoria. Para lograr la multiprogramaci$n es necesario mantener varios programas en memoria al mismo tiempo.


35

FING - UDELAR

-!isten varios esquemas para la administraci$n de la memoria y requieren distinto soporte del hardware . -l sistema operativo es responsable de las siguientes tareas8
4.1.3

Subsistema de E/S

-l sistema operativo deber% encapsular y ocultar las caracter"sticas espec"ficas de los diferentes dispositivos de almacenamiento y ofrecer servicios comunes para todos los medios de almacenamiento. Para ello proveer% de8 ●

●

● ●

Un conjunto de servicios que provean la interfaz con el subsistema e implementen t'cnicas de cache5 bufferin$ y s!oolin$ . Una interfaz cliente con el sistema operativo para los manejadores de dispositivos o device drivers que permitir% interactuar (mediante cargas din%micas) con cualquier modelo de dispositivo. 7evice drivers espec"ficos.
Examen marzo 2006: a; ¿,u- es un buffer" b; ¿,u- ventaas brinda el uso de la t-cnica de bufferin$ a nivel del sistema o!erativo" es!uesta: a/ Es un área de memoria .ue sirve !ara $uardar datos mientras son transferidos entre dis!ositivos o entre un dis!ositivo y un !roceso/ b/ D (alvar la distancia de velocidades entre diferentes dis!ositivos/ D Ada!tar la diferencia en el tamaMo de la transmisi*n de datos de los dis!ositivos mediante t-cnicas de blo.ueo/ D Adelantarse en la lectura obteniendo datos antes de .ue sean re.ueridos/ Examen marzo 2009: ¿,u- entiende !or s!oolin$" es!uesta: es un buffer .ue !ermite $uardar informaci*n mientras se efect8a una transferencia entre dos dis!ositivos5 o entre un dis!ositivo y una a!licaci*n/El dis!ositivo .ue recibe la informaci*n no !ermite .ue sea intercalada/

4.1.4

Administraci ó n de almacenamiento secundario

/a memoria principal es vol%til y demasiado peque5a para guardar todos los datos y programas que son necesarios para el funcionamiento del sistema. /a mayor"a de los sistemas actuales utilizan discos como principal medio para guardar toda la informaci$n. -l sistema operativo es responsable de las siguientes actividades en administraci$n de almacenamiento secundario8 Administrar el espacio libre. ● Asignaci$n del lugar de la informaci$n. ●


36

FING - UDELAR ●

4.1.5

Algoritmos de planificaci$n de disco.

Subsistema de archivos

Proporciona una vista uniforme de todas las formas de almacenamiento en los diferentes dispositivos implementando el concepto de arcivo como una colecci$n arbitraria de bytes u otras clases o organizaciones mas sofisticadas aunque abitualmente obsoletas. 7mplementar% los m'todos de8 Abrir, +errar, -!tender. ● /eer, -scribir. ● 4.1.6

Red

-n un sistema distribuido (no se comparten f"sicamente memoria ni dispositivos) los conjuntos de procesos interact*an a trav's de un canal de comunicaci$n en el conte!to de una red de comunicaci$n. -n general se generaliza el concepto de dispositivo virtual implementando un driver que encapsula el acceso a dispositivos remotos. 4.1.7

Sistema de protecci ó n

-n un sistema multiusuario donde se ejecutan procesos en forma concurrente se deben tomar medidas que garanticen la ausencia de interferencia entre ellos. Por protecci$n nos referimos a los mecanismos por los que se controla al acceso de los procesos a los recursos. -l mecanismo debe incorporar la posibilidad de definir reglas de acceso y asegurar su verificaci$n en toda ocasi$n que corresponda. 4.1.8

Int/rprete de comandos&

%a interfaz con el usuario se im!lementa en t-rminos de un int-r!rete de comandos dis!uesto en el n8cleo del sistema o!erativo o como un !ro$rama con !rivile$ios es!eciales/ En sistemas de caracteres5 la caracterizaci*n !rinci!al del sistema o!erativo es en funci*n de su int-r!rete de comandos/ Jcasionalmente5 al$unos sistemas tuvieron más de un int-r!rete de comandos de forma de simular otros Baun.ue lo relevante es la interfase con el #ernel;/ %os int-r!retes !ueden im!lementar la mayor?a de los comandos o en su defecto invocar !ro$ramas .ue im!lementen el servicio Bo al$o intermedio;/ El costo beneficio será en funci*n del tamaMo del mismo5 y hay .ue determinar si se car$a una sola vez en el sistema o una !ara cada usuario/ (istemas modernos han im!lementado el shell con una interfaz $ráfica donde el des!lazamiento del rat*n sobre imá$enes !roduce la eecuci*n de comandos5 a!ertura de men8s5 etc/ En su im!lementaci*n5 se re.uerirán los diferentes servicios del n8cleo Bde !rocesos5 4'C5 se$uridad5 archivos5 etc/; !ara im!lementar las diferentes funcionalidades ofrecidas/

4.2 Servicios del SO -l sistema brindar% un entorno de e4ecuci-n de programas donde se dispondr% de un con4unto de ser%icios que ser%n accesible mediante una interfaz bien definida. Ser%icios b3sicos 5ue debe brindar un sistema operati%o:

@. . 2. 4. F.

-jecuci$n de programas. Gperaciones de -ntrada01alida.

37

FING - UDELAR 4.2.1

Ejecuci ó n de programas

-l sistema debe ser capaz de cargar un programa a memoria y ejecutarlo. -l programa deber% poder finalizar su ejecuci$n y finalizar de forma normal o anormal (indicando un error). 4.2.2

Operaciones de Entrada/Salida

Un programa en ejecuci$n necesitar% de operaciones de -01 para acceder a un arcivo o dispositivo. Por eficiencia y protecci$n los usuarios no acceder%n directamente al dispositivo. -l sistema deber% proveer un mecanismo de acceso. 4.2.3

Manipulaci ó n de sistemas de archivos

/os programas necesitar%n leer y escribir arcivos. A su vez, se deber%n crear o borrar arcivos. 4.2.4

Comunicaci ón entre procesos

/os procesos podr%n poder comunicarse. 1e deber% proveer mecanismos de comunicaci$n entre ellos ya sea que est'n en el mismo computador (a trav's de memoria compartida), o en diferentes computadores (a trav's de transferencias de paquetes entre los sistemas operativos involucrados). 4.2.5

Detecci ón de errores

-l sistema deber% tomar decisiones adecuadas ante eventuales errores que ocurran (fallo en un dispositivo de memoria, fallo en la fuente de energ"a, etc.). 4.2.6

Propó sito General

Gtros servicios de prop$sito general para el adecuado funcionamiento del sistema son8 Asignaci$n de recursos. ● +ontabilizaci$n. ● Protecci$n. ● Una vez que est%n definidos los servicios que brindar%, la estructura del sistema operativo puede empezar a desarrollarse. Examen diciembre 200+: 7escriba  servicios .ue debe !roveer el sistema o!erativo Examen uio 2003: 7escriba tres servicios .ue debe brindar el sistema o!erativo/ Examen febrero 2009: describa los 3 servicios básicos .ue debe brindar un sistema o!erativo

4.3 Llamados al sistema /os llamados al sistema (system calls ) son una intera!, provista por el n*cleo, para que los procesos de usuarios accedan a los diferentes ser%icios que brinda el sistema operativo. Examen diciembre 200+: ¿,u- son los llamados al sistema Bsystem calls;" Examen ulio 2003:


38

FING - UDELAR ¿,u- son los llamados al sistema Bsystem calls;" es!uesta: %os llamados al sistema !roveen una interfaz entre los !rocesos y el sistema o!erativo a trav-s de la cual los !rocesos !ueden acceder a los servicios .ue -ste brinda/ Examen marzo 2006: ¿,u- son los denominados Gllamados a sistemaG Bsystem calls;"

Al principio los system calls estaban programados en lenguaje ensamblador. -n los sistemas modernos est%n programados en lenguajes de programaci$n como + o +MM. &e esta forma, los programas de usuario tienen un acceso m%s directo a los servicios. /os servicios son invocados por los procesos en modo usuario, cuando ejecutan lo acen en modo monitor, y al retornar vuelven al modo usuario. #"picamente a los system call se les asocia un n*mero. a llamada de un system call inclu6e las siguient s iguientes es tareas: tare as: ● ●

●

●

●

+argar los par%metros en el lugar adecuado (1tacN). +argar el n*mero de system call en alg*n registro espec"fico (-j8 eax en 7ntel). 7nvocar a la interrupci$n por software (tra!) adecuada (system call handler )/ /a interrupci$n cambia el bit de modo a monitor, controla que el n*mero de system call pasado en el registro sea menor que el mayor del sistema y, finalmente, invoca al system call correspondiente. -l valor retornado por el system call es puesto en un registro espec"fico (-j8 eax en 7ntel).

Examen ulio 2003: 'ara hacer un llamado al sistema5 ¿es necesario estar en modo monitor o de usuario" )ustifi.ue/ es!uesta: %os llamados al sistema son eecutados !or !rocesos de usuario y !or lo tanto eecutan en modo usuario/ 'ara !rocesar el llamado el sistema o!erativo trabaa en modo monitor y una vez finalizado5 antes de retornar el control al !roceso5 vuelve a modo usuario/

&7isten 8 ormas de pasar los par3metros al sistema operati%o: •

•

•

A tra%és de los registros. 1e utilizan un conjunto de registros para

pasar los par%metros. #iene el problema de la cantidad de par%metros es fija y que restringe el tama5o del valor. -n 7ntel se utilizan F registros8 ebx5 ecx5 edx5 esi5 y edi. "n blo5ue de memoria apuntado a tra%és de un registro. &n el stack del proceso 5ue reali!a el llamado. -l proceso guarda los par%metros con operaciones !ush sobre el stac# y el sistema operativo los saca con la operaci$n !o!.


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os system calls se clasiican clasi ican en e n distintos disti ntos tipos: ti pos: ●

$ontrol de procesos. ○

●

9esti-n de arc*i%os. ○

●

;equerir o liberar un dispositivo, leer o escribir, conseguir o cargar atributos de un dispositivo, etc..

9esti-n de inormaci-n. ○

●

+rear, borrar, abrir, cerrar, leer, escribir, conseguir o cargar atributos, etc..

9esti-n de dispositi%os. ○

●

+argar, ejecutar, finalizar, abortar, conseguir atributos, cargar atributos, esperar por tiempo, esperar por un evento o se5al, conseguir o liberar memoria, etc..

+onseguir o cargar la ora del sistema, datos del sistema, de procesos, etc..

$omunicaciones. ○

+rear o destruir cone!iones, enviar o recibir mensajes, etc.

Examen marzo 2003: Enuncie y describa brevemente  ti!os de llamados al sistema Bsystem calls;/ Examen diciembre 2006: %os system calls son una forma a los servicios del sistema o!erativo/ ¿Existe al$una otra forma de acceder a estos servicios !or !arte de lo s !rocesos de usuario" es!uesta: no5 son la 8nica forma/

4.4 4. 4 Es Estr truc uctu tura ra de dell sis siste tema ma /a estructura interna de los sistemas operativos pueden ser muy diferentes. 1e deben tener en cuenta8


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FING - UDELAR ●

●

Metas de los usuarios8 ser amigable, intuitivo, confiable, seguro,

r%pido, etc.

Metas del sistema8 f%cil de dise5ar, implementar y mantener,

tambi'n fle!ible, confiable y eficiente.

Diseo del sistema: ● Sistema Monol/tico. Sistema en capas. ● Sistema con micron;cleo (microkernel ). ). ● Sistema con m-dulos. ●

4.4. 4. 4.1 1

Sis iste tema ma Mo Mon nol í í tico tico

Do se tiene una estructura definida. -l sistema es escrito como una colecci$n de procedimientos, que pueden ser invocados por cualquier otro. Do e!iste ocultaci$n de informaci$n ya que cualquier procedimiento puede invocar a otro. 1i bien todo procedimiento es p*blico y accesible a cualquiera, es posible tener buenos dise5os y lograr, de esa forma, buena eficiencia en el sistema. $%&' MS-DS&

/os componentes pueden invocar procedimientos de cualquiera.

$%&' 0inu

/inu! es un n*cleo monol"tico que a logrado un buen dise5o orientado a objetos (sistema modular). Examen febrero 2003: =encione una ventaa y una desventaa de un sistema monol?tico/ es!uesta: %a ventaa es la eficiencia5 la desventaa es .ue la falta de modularizaci*n lo hace más dif?cil de mantener y !ortar !or !arte de los desarrolladores del sistema/

4.4. 4. 4.2 2

Sist Si stem ema a en en cap capas as..

1e organiza el dise5o en una jerarqu"a de capas construidas una encima de la otra. /os servicios que brinda cada capa son e!puestos en una interfaz p*blica y son consumidos solamente por los de la capa de arriba. /a capa  es el hardware y la N es la de procesos de usuario. Jentajas8

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Examen abril 200: En el contexto de un sistema o!erativo diseMado en ca!as5 ¿ 'or .ue el so!orte !ara la memoria virtual no utiliza las !rimitivas de sistemas de archivos " es!uesta: En un sistema o!erativo correctamente estructurado5 habitualmente el filesystem está en una ca!a su!erior a la de $esti*n de memoria5 hecho .ue inhibe la !osibilidad de uso del mismo !ara la im!lementaci*n de la memoria virtual/ En al$8n escenario5 el uso de las !rimitivas del filesystem !odr?a im!licar un mayor overhead/ (i bien esta raz*n como tal resulta invalida5 ya .ue la correcci*n deber?a ser el hacer eficiente el filesystem/ Examen ulio 2003: En el diseMo de un sistema o!erativo5 ¿cuál deber?a haber sido la ustificaci*n de ele$ir un sistema monol?tico frente a un diseMo !or ca!as" es!uesta: %a necesidad de im!lementar un sistema con mayor rendimiento/ El sistema zool?tico es más eficiente ya .ue disminuye la car$a de la comunicaci*n entre ca!as/ Examen marzo 200: 7escriba brevemente las ventaasdesventaas de los sistemas o!erativos diseMados con el enfo.ue monol?tico frente al enfo.ue en ca!as/ Examen ulio 2009: 7escriba ventaasdesventaas del diseMo de un sistema monol?ticos frente al sistema en ca!as

4.4.3 Sistema con micron1cleo (microkernel2&

1e constituye de un n*cleo que brinde un manejo m/nimo de procesos, memoria y, adem%s, provea de una capa de comunicaci-n entre procesos. /a capa de comunicaci$n es la funcionalidad principal del sistema. /os restantes servicios del sistema son construidos como procesos separados al micron*cleo que ejecutan en modo usuario. -l acceso los servicios del sistema se realiza a trav's de pasaje de mensajes. Jentajas8 ●

● ● ●

Aumenta la portabilidad y escalabilidad ya que encapsula las caracter"sticas f"sicas del sistema Para incorporar un nuevo servicio no es necesario modificar el n*cleo. -s m%s seguro ya que los servicios corren en modo usuario. -l dise5o simple y funcional t"picamente resulta en un sistema m%s confiable. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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3indo4s'

Examen abril 200: ¿Cuál es la diferencia entre un sistema monol?tico y uno basado en micro#ernel"/ 4ndi.ue ventaas y desventaas/ es!uesta: 1n sistema monol?tico no tiene una estructura bien inte$rada/ Hodas las funcionalidades del sistema se eecutan en modo monitor/ (on dif?ciles de extender5 mantener y de!urar/ %os sistemas con micro#ernel son sistemas estructurados5 donde la mayor?a de los servicios y funciones se im!lementan en m*dulos5 deándose s*lo una !e.ueMa !arte del sistema Bel micro#ernel; .ue eecute en modo monitor/ En $eneral el micro#ernel se limita a $esti*n de interru!ciones5 $esti*n básica de !rocesos5 $esti*n de memoria a bao nivel y comunicaci*n entre !rocesos/ (istemas de este ti!o5 son mas !ortables y escalables .ue los convencionales/ @o obstante5 debido a .ue los distintos com!onentes eecutan en es!acios de direccionamiento distintos5 se !resenta un overhead mayor al de los sistemas monol?ticos/ Examen ulio 2003: Ex!licar los sistemas con estructura basada en micro#ernel/ es!uesta: En una ar.uitectura basada en micro#ernel5 el sistema o!erativo se ocu!a s*lo de unas !ocas funciones5 reduciendo el n8cleo a su m?nima ex!resi*n/ El resto de funciones !asan a estar en el es!acio de usuario/ (e debe de !roveer una interfaz de comunicaci*n entre los !rocesos de usuarios y los !rocesos .ue !roveen los servicios del sistema/ Examen marzo 2006: ¿Cuáles son las !rinci!ales ventaas de un sistema con micron8cleo" es!uesta: Aumenta la !ortabilidad y escalabilidad ya .ue enca!sula las caracter?sticas 5 f?sicas del sistema D 'ara incor!orar un nuevo servicio no es necesario modificar el n8cleo/ D Es más se$uro ya .ue los servicios corren en modo usuario/ D El diseMo sim!le y funcional t?!icamente resulta en un sistema más confiable/ Examen ulio 2009: 'ara el diseMo de un sistema o!erativo5 seMale virtudes y defectos com!arando una soluci*n monol?tica con una basada en un micro n8cleo/ Examen marzo 200: 7escriba los sistemas o!erativos diseMados con un microDn8cleo Bmicro#ernel;/

4.4.4

Sistema con m ó dulos.

/os sistemas actuales utilizan m$dulos de n*cleo. &e esta forma logran tener8 -nfoque orientado a objetos. ● /ogran separar los distintos componentes en una forma m%s clara. ● /as componentes se comunican entre s" con una interfaz conocida. ● /as componentes son cargadas din%micamente seg*n la necesidad. ● Solaris'


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5 Procesos 5.1 Definición de Proceso -l principal concepto en cualquier sistema operativo es el de proceso. Un proceso es un programa en ejecuci$n, incluyendo el valor del !ro$ram counter , los registros y las variables. +onceptualmente, cada proceso tiene un ilo (thread ) de ejecuci$n que es visto como un +PU virtual. -l recurso procesador es alternado entre los diferentes procesos que e!istan en el sistema, dando la idea de que ejecutan en paralelo. Examen ulio 2009: ¿c*mo re!resenta el sistema o!erativo el conce!to de !roceso"

5.2 Contador de programa +ada proceso tiene su program counter 5 y avanza cuando el proceso tiene asignado el recurso procesador. A su vez, a cada proceso se le asigna un n*mero que lo identifica entre los dem%s8 identificador de proceso (process id ).

5.3 Memoria de los procesos Un proceso en memoria se constituye de varias secciones8 ●

$-digo (tet ): 7nstrucciones del

●

Datos (data)8 Jariables globales del

●

●

proceso.

proceso. 5eap8

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5.4 Estados de los procesos -l estado de un proceso es definido por la actividad corriente en que se encuentra. os estados de un proceso son: • •

•

•

•

#ue%o (ne4): +uando el proceso es creado. &4ecutando (running): -l proceso tiene asignado un procesador y

est% ejecutando sus instrucciones. lo5ueado (4aiting): -l proceso est% esperando por un evento (que se complete en pedido de -01 o una se5al). isto (ready ): -l proceso est% listo para ejecutar, solo necesita del recurso procesador.
Hransiciones y estados de !rocesos:

Examen abril 200: En el contexto de !lanificaci*n de !rocesos5 describa los !osibles estados en los cuales un !roceso !ueda encontrarse/ es!uesta: En eecuci*n: el !roceso tiene asi$nado el !rocesador5 y el fluo de instrucciones del !roceso se está eecutando/ lo.ueado: el !roceso está en es!era de .ue se le asi$ne al$8n recurso f?sico Bcomo el fin de una E(; o l*$ico/ %isto: El !roceso no está blo.ueado5 sino com!itiendo !ara .ue se le asi$ne un !rocesador y !asar a estado de eecuci*n/ (us!endido: El !roceso fue sus!endido ex!l?citamente5 saliendo del estado listo o eecutándose/ 'asará al estado listo By será ele$ible !ara asi$nársele la C'1; cuando sea reanudado5 tambi-n en forma ex!l?cita/ lo.ueado sus!endido: Análo$o al anterior5 se da cuando se sus!ende un !roceso .ue estaba blo.ueado/ olverá al estado blo.ueado al ser reaunudado/ Examen febrero 2006: 7escriba los estados en los .ue !uede !ermanecer un !roceso y realice un dia$rama mostrando las transiciones de un estado a otro mencionando el5 o los eventos .ue se !roducen !ara el cambio de estado/ Examen febrero 200: ealice y describa un es.uema de los estados y las transiciones entre los estados de los !rocesos en un sistema/


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5.5 Transiciones entre estados #ue%o => isto

Al crearse un proceso pasa inmediatamente al estado listo.

isto => &4ecutando

-n el estado de listo, el proceso solo espera para que se le asigne un procesador para ejecutar (tener en cuenta que puede e!istir m%s de un procesador en el sistema). Al liberarse un procesador el planificador (scheduler ) selecciona el pr$!imo proceso, seg*n alg*n criterio definido, a ejecutar.

&4ecutando ?> isto

Ante una interrupci$n que se genere, el proceso puede perder el recuso procesador y pasar al estado de listo. -l planificador ser% el encargado de seleccionar el pr$!imo proceso a ejecutar.

&4ecutando ?> lo5ueado

A medida que el proceso ejecuta instrucciones, realiza pedidos en los distintos componentes (ej.8 genera un pedido de -01). #eniendo en cuenta que el pedido puede demorar, y adem%s, si est% en un sistema multiprogramado, el proceso es puesto en una cola de espera asta que se complete su pedido. &e esta forma, se logra utilizar en forma m%s eficiente el procesador.

lo5ueado => isto

Una vez que ocurre el evento que el proceso estaba esperando en la cola de espera, el proceso es puesto nuevamente en la cola de procesos listos.

&4ecutando ?> +erminado

+uando el proceso ejecuta sus *ltima instrucci$n pasa al estado terminado. -l sistema libera las estructuras que representan al proceso

Examen ulio 200: 7escriba los diferentes estados de un !roceso5 as? como las !rinci!ales colas asociadas al !lanificador de los mismos/

5.6 Bloque descriptor de proceso -l proceso es representado, a nivel del sistema operativo, a trav's del blo.ue descri!tor de !roceso ("rocess 6ontrol 7loc# ). #odo proceso se describe mediante su estado, nombre, recursos asignados, informaci$n contable, etc.. Para ello se utilizara una estructura de datos que ser% el operando de las operaciones sobre procesos, recursos y del planificador (scheduler )/ &stado $P": -l contenido de esta estructura ● estar% indefinido toda vez que el proceso est% en estado eecutando (puesto que estar% almacenado en la +PU indicada por procesador). ;egistro de fla$s. Procesador: @..B$P"C: +ontendr% el n*mero ● de +PU que est% ejecutando al proceso (si esta en estado eecutando), sino su valor es indefinido.


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● ● ●

●

● ●

●

Memoria: &escribe el espacio virtual y0o real de direccionamiento

seg*n la arquitectura del sistema. +ontendr% las reglas de protecci$n de memoria as" como cu%l es compartida, etc.. &stado del proceso: eecutando , listo o blo.ueado. Ancestro: 7ndica qui'n cre$ este proceso. Descendientes: /ista de punteros a 'Cs de los ijos de este proceso. ecursos: ;ecursos de software (arcivos, sem%foros, etc.) y hardware dispositivos, etc.). Planiicaci-n: #ipo de planificador. Prioridad: Podr% incluir una prioridad e!terna de largo aliento, o en su defecto una prioridad interna din%mica de alcance reducido. $ontabili!aci-n: 7nformaci$n contable como ser cantidad de -01, fallos de p%ginas ( !a$e faults;, consumo de procesador, memoria utilizada, etc.

Examen abril 200: 7escriba detalladamente .ue es el 'C es!uesta: 1n 'C B'rocess Control loc#; es una estructura de datos del sistema .ue re!resenta un !roceso5 almacenando informaci*n del mismo/ 4ncluye a/ El estado del !roceso Blisto5 en eecuci*n5 etc/; b/ El !ro$ram counter5 indicando la si$uiente instrucci*n a eecutar c/ %os re$istros5 .ue son $uardados unto con el 'C !or cada interru!ci*n/ d/ 4nformaci*n adicional !ara la !lanificaci*n B!rioridades5 !unteros a las colas donde se !udiera encontrar el !roceso5 se$8n su estado5 etc/; e/ 4nformaci*n de administraci*n de memoria Bre$istros l?mites5 tablas de !á$inas; f/ 4nformaci*n contable: n8mero de !roceso5 utilizaci*n de C'15 tiem!o de creaci*n5 etc/ $/ 4nformaci*n de E(: archivos abiertos5 E( !endientes/ h/ eferencias a la $enealo$?a o contexto de !rocesos5 hios5 !adre5 etc/ Examen ulio 200: 7etalle y ex!li.ue el cometido de los !rinci!ales com!onentes del blo.ue descri!tor de !roceso B'C;/ Examen diciembre 2006: En el 'rocess Control loc# existe una secci*n !ara los re$istros/ ¿Cuándo es utilizada esta área" es!uesta: Cuando el !roceso no tiene asi$nado el recurso !rocesador/ En esa ár ea se $uarda el estado de los re$istros del !rocesador cuando el !roceso fue des!achado/ Cuando el !lanificador le asi$ne el recurso !rocesador5 el des!achador car$ará los re$istros del !rocesador con esos valores/

5.7 Creación de procesos /os procesos de un sistema son creados a partir de otro proceso. Al creador se le denomina padre y al nuevo proceso ijo. -sto genera una jerarqu"a de procesos en el sistema. -n el dise5o del sistema operativo se debe decidir, en el momento de creaci$n de un nuevo proceso, cuales recursos compartir%n el proceso padre e ijo. /as opciones son que compartan todo, algo o nada. Una vez creado el nuevo proceso tendr%n un ilo ( !c) de ejecuci$n propio. -l sistema genera un nuevo 'C para el proceso creado. E/: 1@4K

UD7O provee el system call fork para la creaci$n de un nuevo proceso. /a invocaci$n a esta funci$n le retorna al padre el n*mero de !rocess id del ijo reci'n creado y al ijo el valor 3. -l ijo comienza su ejecuci$n en el retorno del for# .


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Adem%s, se provee del system call eec que reemplaza el espacio de memoria del proceso por uno nuevo.

int main() { pi'_t pi'; -* fork another process * pid = fork();

if (pi' < 0) { -* error occurre' *fprintf(st'err, ./ork /aile'.); eit(12);  else if (pi' == 0) { -* chil' process *execlp("/bin/ls", "ls", NULL);



 else { -* parent process *-* parent will wait for the chil' to complete*wait (3455); printf (.6hil' 6omplete.); eit(0); 


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5.8 Listas y colas de procesos /os procesos, en los distintos estados que tienen, son agrupados en listas o colas8 ●

●

●

ista de procesos del sistema ( %o 8ueue): -n esta lista est%n

todos los procesos del sistema. Al crearse un nuevo proceso se agrega el P+B a esta lista. +uando el proceso termina su ejecuci$n es borrado. $ola de procesos listos (ready 8ueue): -sta cola se compondr% de los procesos que est'n en estado listo. /a estructura de esta cola depender% de la estrategia de planificaci$n utilizada. $ola de espera de dispositi%os (device 8ueue): /os procesos que esperan por un dispositivo de -01 particular son agrupados en una lista espec"fica al dispositivo. +ada dispositivo de -01 tendr% su cola de espera

●

Examen diciembre 2003: Cuando los !rocesos realizan !edidos a dis!ositivos de entradasalida/ Además de la cola de !rocesos blo.ueados5 ¿en .u- otra cola del sistema son aloados mientras es!eran .ue el dis!ositivo realice el !edido" es!uesta: Cada dis!ositivo de entradasalida !osee de una cola de es!era/ 1n !roceso al eecutar una o!eraci*n de entradasalida sobre un dis!ositivo5 es !uesto en la cola res!ectiva a l dis!ositivo/

7ia$rama de transici*n de un !roceso entre las colas del sistema:


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5.9 Cambio de contexto A la tarea de cambiar un proceso por otro en el procesador se le denomina cambio de conte7to (context switch). -l tiempo que implica cambiar realizar la tarea es considerado como overhead (tiempo de procesador que no es *til). -l cambio de conte!tos entre procesos implica las siguientes tareas8 1alvar el estado del proceso (registros, informaci$n de punteros de memoria) que est% ejecutando en su P+B. +ambiar el estado del proceso que estaba ejecutando al que corresponda. +argar el estado del proceso asignado a la +PU a partir de su P+B. +ambiar el estado del proceso nuevo a eecutando . •

•

•

•


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Examen abril 200: 7escriba las acciones del #ernel de un sistema o!erativo cuando ocurre un cambio de contexto: F/ entre hilos 2/ entre !rocesos es!uesta: 'ara el caso de un cambio de contexto entre hilos de un mismo !roceso5 el sistema o !erativo debe salvar los re$istros5 el contador de !ro$rama y el re$istro de !ila del hilo en el 'C/ (in embar$o no se re.uiere nin$una otra $esti*n relativa al es!acio de memoria u otros recursos5 ya .ue el contexto es id-ntico !ara todos los hilos del !roceso o tarea .ue contiene a los hilos/ 7e acuerdo a lo ex!uesto5 !ara un !roceso activo5 el !lanificador !odr?a !riorizar el des!acho de hebras del mismo en el !rocesador o C'1 corriente/ (i los hilos !ertenecen a tareas o !rocesos diferentes5 obviamente se hace necesario conmutar el contexto de acuerdo a la t-cnica habitual/ 'ara el caso de cambio de contexto entre !rocesos diferentes5 el si stema o!erativo debe realizar las mismas tareas .ue con lo hilos5 !ero además debe movilizar informaci*n relativa a los recursos asi$nados al !rocesos5 como ser blo.ues de memoria o disco asi$nado y !rocesos descendientes del !roceso actual/ Examen marzo 2006: 7escriba brevemente el conunto de tareas .ue im!lica realizar un cambio de contexto Bcontext switch;5 mencionando la utilidad del blo.ue de control del !roceso B'C: 'rocess Control loc#;/ es!uesta: Cuando un cambio de contexto ocurre5 el n8cleo del sistema debe $uardar Bsalvar; el contexto del vieo !roceso en el 'C y lue$o car$ar el contexto del nuevo !roceso Bdesde su 'C; en el !rocesador asi$nado/


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5.10 Cooperaci ón entre procesos Procesos concurrentes pueden ejecutar en un entorno aislado (se debe asegurar la ausencia de interferencias) o, eventualmente, podr%n interactuar cooperando en pos de un objetivo com*n compartiendo objetos comunes. -s necesario que el sistema operativo brinde unas erramientas espec"ficas para la comunicaci$n y sincronizaci$n entre los procesos (4nter'rocess Communication R 4'C). 7P+ es una erramienta que permite a los procesos comunicarse y sincronizarse sin compartir el espacio de direccionamiento en memoria. 5.11 Threads ay aplicaciones donde es necesario utilizar y compartir recursos en forma concurrente. 7P+ brinda una alternativa a nivel de sistema operativo. ltimamente los sistemas operativos est%n comenzando a proporcionar servicios para soportar crear m%s de un ilo (thread ) de ejecuci$n (control) en un proceso. &e esta forma, se tiene m%s de un ilo de ejecuci$n en el mismo espacio de direccionamiento. +ada thread contendr% su propio !ro$ram counter , un conjunto de registros, un espacio para el stac# y su prioridad. #odos los recursos, secci$n de c$digo y datos son compartidos por los distintos threads de un mismo proceso. Examen diciembre 2006: ¿A nivel de sistema o!erativo y 'rocess Control loc#5 cuáles estructuras son necesarias !ara describir un hilo Bthread;" es!uesta: A nivel del 'C5 el sistema debe tener una estructura inde!endiente !ara cada thread de un !roceso .ue conten$a !or lo menos el stac#5 re$istros y el !ro$ram counter/ Examen febrero 2009: 'ro!on$a una estructura de datos necesaria !ara !oder re!resentar hilos Bthreads; a nivel del sistema o!erativo/ =encione solamente los cam!os !rinci!ales del blo.ue descri!tor del !roceso / es!uesta: 'ara !oder re!resentar hilos Bthreads; es necesario tener estructuras !ara la !ila Bstac#;5 el contador de !ro$rama B!ro$ram counter; y los re$istros de cada hilo/ (e debe modificar el 'C de forma tal de .ue cada hilo ten$a estas estructuras de forma inde!endiente/ Examen marzo 200: ealice un dia$rama mostrando los !rinci!ales cam!os del descri!tor de !roceso B'C D 'rocess Control loc# asumiendo .ue está en un sistema .ue reconoce hilos a nivel del sistema o!erativo/


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enta4as del uso de threads : ●

●

●

●

epuesta: desarrollar una aplicaci$n con varios ilos de control

(threads ) permite tener un mejor tiempo de respuesta. $ompartir recursos: los threads de un proceso comparten la memoria y los recursos que utilizan. A diferencia de 4'C, no es necesario acceder al #ernel para comunicar o sincronizar los ilos de ejecuci$n. &conom/a: es m%s f%cil un cambio de conte!to entre threads ya que no es necesario cambiar el espacio de direccionamiento. A su vez, es m%s liviano para el sistema operativo crear un thread que crear un proceso nuevo. "tili!aci-n de ar5uitecturas con multiprocesadores: disponer de una arquitectura con m%s de un procesador permite que los threads de un mismo proceso ejecuten en forma paralela.

/os threads pueden ser implementados tanto a nivel de usuario como a nivel de sistemas operativo8 ●

●

Eilos a ni%el de usuario (user threads): son implementados en

alguna librer"a de usuario. /a librer"a deber% proveer soporte para crear, planiicar 6 administrar los threads sin soporte del sistema operativo. -l sistema operativo solo reconoce un ilo de ejecuci$n en el proceso. Eilos a ni%el del n;cleo (kernel threads): el sistema es quien provee la creaci$n, planificaci$n y administraci$n de los threads. -l sistema reconoce tantos ilos de ejecuci$n como threads se ayan creado.

enta4as de user threads sobre kernel threads :


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FING - UDELAR

●

●

●

Desarrollo de aplicaciones en sistemas sin soporte a *ilo8 se

pueden aprovecar todos los beneficios de programar orientado utilizando threads/ Adem%s se puede portar la aplicaci$n a un sistema operativo que carezca de la noci$n de varios ilos de ejecuci$n. $ambio de conte7to8 el cambio de conte!to entre threads de usuario es m%s simple ya que no consume el overhead que tendr"a en el sistema operativo (guardar registros). Planiicaci-n independiente8 se puede crear una nueva estrategia de planificaci$n diferente a la que tenga el sistema operativo.

enta4as de kernel threads sobre user threads : ●

●

Me4or apro%ec*amiento de un sistema multiprocesador8 el

sistema operativo puede asignar threads del mismo proceso en distintos procesadores. &e esta forma, un proceso puede estar consumiendo m%s de un recurso procesador a la vez. &4ecuci-n independiente8 Al ser independientes los ilos de ejecuci$n, si un thread se bloquea (debido a p.ej. una operaci$n de -01) los dem%s threads pueden seguir ejecutando.

Examen febrero 200: (i en un (/J/ la im!lementaci*n de los threads Bhebras; se realiz* a nivel de usuario5 ¿.u- sucede con las restantes hebras de un !roceso cuando una se blo.uea como consecuencia de la invocaci*n de un servicio Bsystem call; del (/J/" es!uesta: (e blo.uean tambi-n el resto de las hebras del mismo !roceso/ Examen ulio 200: 7escriba las diferentes modalidades de im!lementaci*n hilos en un sistema o!erativo indicando .ue ventaas y desventaas !resenta cada uno/ Examen ulio 200: En sistemas con hilos im!lementadas en el n8cleo5 un !roceso multihilado5 ¿cuántas !ilas debe tener" Examen febrero 2003: 7escriba brevemente dos limitaciones de los hilos a nivel de usuario sin so!orte del n8cleo/ es!uesta: 1n fallo de !á$ina de un hilo hace .ue se blo.uee el !roceso con todos los otros hilos/ 4dem con E(/ 4dem con llamadas al sistema/A8n si el sistema es multi!rocesador y tiene C'1Qs ociosas5 todos los hilos com!etirán !or un solo !rocesador5 el del !roceso .ue los contiene/ En caso de ser m8lti!les hilos de un !roceso .ue eerce como má.uina virtual de ellos B!or e em!lo !lanificándolos;5 una vez .ue está eecutando un hilo5 no existe forma ex!ro!iarle el control !ara dárselo al !rocesomá.uina virtual/ %a 8nica forma es .ue los !ro!ios hilos lo cedan B!or eem!lo llamando al$8n servicio de la má.uina virtual5 en vez de hacer ll amadas directas al sistema;/ Examen diciembre 2003: En un sistema mono!rocesador5 .u- $ran ventaa tiene5 a nivel de !rocesos de usuario5 un sistema .ue so!orte hilos Bthreads; a nivel de sistema5 frente a uno .ue no lo ha$a/ es!uesta: A!rovechar .ue eecuten otros hilos del mismo !rocesos mientras al$uno de ellos se haya blo.ueado en una o!eraci*n de entradasalida/ Esto es !osible ya .ue el sistema o!erativo reconoce los hilos como unidades de eecuci*n inde!endientes/

/a mayor"a de los sistemas proveen threads tanto a nivel de usuario como de sistema operativo. &e esta forma surgen varios modelos8


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FING - UDELAR •

M7 (Many-!o-ne): Jarios threads de a nivel de usuario a un *nico thread

a nivel de sistema. •

•

7 (one-to-ne): +ada thread de usuario se corresponde con un thread a

nivel del n*cleo (#ernel thread)/ M7# (Many-!o-Many ): Jarios threads a nivel de usuario se corresponde con varios threads a nivel del n*cleo.

M7 (Many-!o-ne)

-ste caso se corresponde al de tener los threads implementados a nivel de usuario. -l sistema solo reconoce un thread de control para el proceso. /os threads de usuario ejecutar%n cuando est'n asignados al #ernel thread del proceso (tarea llevada a cabo por el planificador a nivel de usuario) adem%s, a este le asigne la +PU el planificador del sistema operativo.

y,

7 (ne-!o-ne)

+ada thread que es creado a nivel de usuario se genera un nuevo thread a nivel de sistema que estar% asociado mientras e!ista. -l sistema reconoce todos los threads a nivel de usuario y son planificados independientemente. -n este caso no ay planificador a nivel de usuario.

M7# (Many-!o-Many )

+ada proceso tiene asignado un conjunto de #ernel threads independiente de los threads a nivel de usuario que el proceso aya creado. -l planificador a nivel de usuario asigna los threads en los #ernel threads. -l Planificador de sistema ;econoce los #ernel threads. -s com*n ver los #ernel threads como +PU virtuales. Examen marzo 200: a; ¿,u- ventaa o desventaa tiene so!ortar threads a nivel de usuario en un multi!rocesador" b; 7- una desventaa de so!ortar threads a nivel de n8cleo5 en com!araci*n a hacerlo a nivel de usuario/ es!uesta: 'ara el cambio de contexto es necesario llamar al sistema5 lo .ue lo hace más lento .ue la conmutaci*n entre hilos a nivel de usuario/


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FING - UDELAR c; (u!on$a .ue usted debe !rocesar una matriz de informaci*n5 de @ x @5 donde @ es muy $rande/ 7iscuta la conveniencia de utilizar tareas multihiladas o !rocesos !ara realizar esta acci*n/ es!uesta: Es más conveniente el uso de threads colocando la matriz en el es!acio com8n de direcciones5 como una variable $lobal/ Es razonable es!erar .ue la a!licaci*n .ue !rocesa la matriz no re.uiera !rote$er sus hilos entre s?5 y .ue en cambio cada thread deba acceder a toda la matriz/ (i se resuelve mediante !rocesos5 deber?a em!learse un mecanismo de comunicaci*n del sistema5 con la !-rdida de desem!eMo .ue cada llamada im!lica/ Examen ulio 200+: ¿En la im!lementaci*n de .u- ti!o de !ro$ramas resulta es!ecialmente 8til el contar con un servicio de hilos o !rocesos multihilados" es!uesta: En a!licaciones .ue son servidores de m8lti!les usuarios atendidos en !aralelo5 como servidores de bases de datos5 servidores de archivos5 etc/ >recuentemente estos servidores mantienen un !ool de hilos5 evitando el costo de crearlos bao demanda/ Nilos es es!ecialmente 8til si en memoria se mantiene informaci*n com8n a todos los usuarios5 !or eem!lo informaci*n de estado de la a!licaci*n/ Examen febrero 2003: ¿Cuál es la !rinci!al diferencia .ue hay entre im!lementar un servicio de comunicaci*n de mensaes entre !rocesos de un mismo com!utador5 res!ecto a hacerlo entre hilos de un mismo !roceso" es!uesta: El !rimero re.uiere un mecanismo $estionado !or el sistema5 como colas de memoria com!artida5 mensaes5 etc/5 con el costo de las llamadas corres!ondientes5 y los cambios de contexto/ Con hilos es !osible hacerlo sin intervenci*n del sistema5 direccionando sobre el mismo es!acio virtual/


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FING - UDELAR

6 Planificación 6.1 Introducci ón /a planificaci$n (schedulin$) es la base para lograr la multiprogramaci$n. Un sistema multiprogramado tendr% varios procesos que requerir%n el recurso procesador a la vez. -sto sucede cuando los procesos est%n en estado ready (pronto). 1i e!iste un procesador disponible, se debe elegir el proceso que ser% asignado al recurso para ejecutar. /a parte del sistema operativo que realiza la elecci$n del proceso es llamada planificador (scheduler ). 6.2 Clases de procesos -!isten distintas pol"ticas de planificaci$n que ser%n e!itosas seg*n la clase de procesos que ejecuten. /os procesos consisten en ciclos de r%fagas de ejecuci$n (C'1burst ) y r%fagas de espera de operaciones de -01 (4J burst ). -n general, los procesos tienden a ser o m%s intensivos en el uso de procesador, o m%s intensos en el uso de operaciones de -01. •

•

Procesos 6"U-ound 8 /os procesos que contienen un alto uso de

procesador son llamados C'1Dbound o com!uteDbound . Procesos I9-ound 8 /os procesos que realizan mucos accesos a operaciones de -01 son llamados 4JDbound .

/a prioridad que tenga un proceso frente a los dem%s para acceder al recurso ser% inversamente proporciona al uso que aga del recurso. Examen febrero 2009: ¿,u- .uantum de C'1 Bmayor5 menor o i$ual; le dar?a a los !ro cesos .ue son catalo$ados como consumidores intensivos de C'1 BC'1Dbound;5 con res!ecto a los !rocesos consumidores de entradaDsalida B4JDbound;" es!uesta: %a !rioridad sobre un recurso es inversamente !ro!orcional al uso del mismo/ %os !rocesos intensivos en C'1 BC'1Dbound; deberán tener una !rioridad baa sobre el recurso !rocesador5 !or lo .ue se les asi$nará un .uantum de tiem!o menor con res!ecto a los !rocesos intensivos en entradaDsalida B4J bound;/ 7e esta forma5 los !rocesos .ue no hacen un uso desmedido del !rocesador !odrán acceder con mayores !osibilidades/

6.3 Esquemas de planificaci ón a momentos en 5ue el planiicador es in%ocado son:

@. +uando un proceso se bloquea en una operaci$n de -01, o un sem%foro, etc.. 2. +uando un proceso cambia del estado eecutando al estado !ronto. Por ejemplo al ocurrir una interrupci$n o al crearse un nuevo proceso. 3. +uando ocurre una interrupci$n de -01 y un proceso pasa del estado blo.ueado a !ronto. 4. +uando un proceso finaliza su ejecuci$n.


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FING - UDELAR ●

●

+uando ocurre : * ;, el planificador es invocado debido a que el proceso en ejecuci$n libera el procesador. +uando ocurre < * =, si el planificador es invocado, se dice que este es e7propiador ( !reem!tive ), ya que puede 5uitar el procesador al proceso que estaba en ejecuci$n.

Planiicadores no e7propiadores (non-preemptive)

1on los planificadores que asignan el recurso procesador a un proceso y asta que este no lo libere, ya sea porque finaliza su ejecuci$n o se bloquea, no son ejecutados nuevamente. Examen marzo 200: 7iscuta sobre la adecuaci*n de un !lanificador noD!reem!tivo cuando se consideran a!licaciones con restricciones de tiem!o real/ es!uesta: 1n !lanificador noD!reem!tivo no es adecuado cuando se consideran a!licaciones de tiem!o real5 !or.ue -stas re.uieren $arant?as de tiem!o de servicio5 lo cual s*lo es !osible si se usa un !lanificador !reem!tivo/

Planiicadores e7propiadores ( preemptive)

1on los planificadores que pueden e!propiar el recurso procesador a un proceso cuando otro proceso entra en estado !ronto (ya sea porque es nuevo o porque se desbloque$) o porque se le impone una limitante de tiempo para ejecutar. Examen diciembre 200: En el diseMo de un !lanificador5 ex!li.ue la diferencia entre a!ro!iativo y no a!ro!iativo Examen marzo 200: ¿,u- es un !lanificador !reem!tivo" es!uesta: Es un !lanificador .ue ase$ura .ue el !roceso en eecuci*n es el de mayor !rioridad en el sistema/ Esto im!lica .ue cuando un !roceso A con !rioridad !F está listo !ara eecutar5 y un !roceso  con !rioridad !2 B con !F & !2 ; está siendo eecutado5 el !lanificador debe .uitarle el !rocesador a  y des!achar A/ Examen febrero 2003: ¿Cuándo se dice .ue un des!achador es a!ro!iativo" es!uesta: Cuando ase$ura .ue en todo momento se est- eecutando el !roceso de mayor !rioridad5 se$8n el es.uema de !rioridad5 ex!l?cito o im!l?cito5 .ue se manee/ 'ara esto se hace necesario !oder .uitar el !rocesador a un !roceso .ue actualmente est- en eecuci*n/ Examen febrero 2006: ¿,u- entiende !or !lanificador ex!ro!iativo" Examen febrero 200: ¿,u- entiende !or !lanificador ex!ro!iativo B!reem!tive schedulin$;"

os es5uemas de planiicaci-n son ;tiles seg;n el ambiente donde sean aplicados. ●

●

●

Sistemas por lotes8 +omo no e!iste interacci$n con usuarios, los

planificadores no e!propiadores son ideales. Sistemas interacti%os8 &ebido a que e!isten procesos de usuarios ejecutando a la vez, los planificadores e!propiadores son ideales para mantener un buen tiempo de respuesta para los usuarios. Sistemas de tiempo real8 Do es necesario planificadores e!propiadores ya que los procesos puede que no ejecuten por un buen tiempo, pero cuando lo acen es por un per"odo muy corto.


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FING - UDELAR Examen ulio 2009: Clasifi.ue el ti!o de !lanificador Bex!ro!iativos o no ex!ro!iativos; a utilizar en cuanto a sistemas !or lotes5 interactivos y de tiem!o real/

6.4 Criterios de planificaci ón /os algoritmos de planificaci$n tendr%n distintas propiedades y favorecer%n cierta clase de procesos. &s necesario deinir criterios para poder e%aluar los algoritmos de planiicaci-n: "tili!aci-n de $P" (6"U utili>ation): es el porcentaje de uso (en ●

●

●

●

●

cuanto a ejecuci$n de tareas de usuario o del sistema que son consideradas *tiles) que tiene un procesador. endimiento (!hroughput ): es el n*mero de procesos que ejecutaron completamente por unidad de tiempo (una ora p.ej.). +iempo de retorno (!urnaround time ): es el intervalo de tiempo desde que un proceso es cargado asta que este finaliza su ejecuci$n. +iempo de espera (3aiting time): es la suma de los intervalos de tiempo que un proceso estuvo en la cola de procesos listos (ready .ueue). +iempo de respuesta ()esponse time): es el intervalo de tiempo desde que un proceso es cargado asta que brinda su primera respuesta. -s *til en sistemas interactivos.

Examen marzo 2006: 7efina los si$uientes conce!tos: a; 1tilizaci*n de !rocesador/ b; Hiem!o de retorno/ c; Hiem!o de es!era/ Examen marzo 2009: ¿,u- es el tiem!o de retorno Bturnaround time;"¿,u- se entiende !or rendimiento Bthrou$h!ut; de un al$oritmo de !lanificaci*n"

6.5 Algoritmos de planificaci ón 6.5.1

First-Come First-Served (FCFS)

-l procesos son ejecutados en el orden que llegan a la cola de procesos listos. /a implementaci$n es f%cil a trav's de una cola 7G. -s adecuado para sistemas por lotes (batch)/ -s un algoritmo no e!propiador. Una vez que el procesador le es asignado a un proceso este la mantiene asta que termina o genera un pedido de -01. -l tiempo de espera promedio por lo general es alto.

6.5.2

Shortest-Job-First (SJF)

-l algoritmo asocia a los procesos el largo del pr$!imo C'1burst .


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FING - UDELAR

+uando el procesador queda disponible se le asigna el proceso que tenga el menor C'1Dburst . 1i dos procesos tiene el mismo C'1Dburst se desempata por >C>(. 1u funcionamiento depende de conocer los tiempos de ejecuci$n, que en la mayor"a de los casos no se conoce. -s adecuado para sistemas por lotes (batch)/ Dos es5uemas: •

•

#o e7propiador8 una vez que se le asigna el procesador a un proceso no se

le podr% quitar. &7propiador8 1i un nuevo proceso aparece en la lista de procesos listos con menor C'1Dburst , se le quita la +PU para asignarla al nuevo proceso.

-ste algoritmo es $ptimo para el tiempo de espera, pero requiere que todos los procesos participantes est'n al comienzo.

6.5.3

Basados en Prioridad

A cada proceso se le asigna una n*mero entero que representa u prioridad. -l planificador asigna el procesador al proceso con la m%s alta prioridad. 1e utiliza en general un esquema e!propiador ya que si un proceso con mayor prioridad que el que esta ejecutando arriba a lista de procesos listos (ready .ueue), ser% asignado al procesador. ()> se puede ver como un algoritmo de prioridad donde la prioridad esta dada por el pr$!imo C'1Dburst . -s adecuado para sistemas interactivos.


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FING - UDELAR

1ufre de posposici$n6indefinida ya que un proceso de baja prioridad quiz%s no pueda ejecutar nunca. /a soluci$n es utilizar prioridades din%micas de envejecimiento. 7ncrementar la prioridad seg*n pasa el tiempo sin ejecutar. /a prioridad de un proceso para el uso del recurso procesador deber% ser inversa al uso que el proceso aga del mismo. Un proceso 4JDbound deber% tener mayor prioridad que uno C'1Dbound. 6.5.4

Round-Robin (RR)

A cada proceso se le brinda un intervalo de tiempo para el uso del procesador (time .uantum). Al finalizar el tiempo, el procesador le es e!propiado y vuelve al estado !ronto (ready ) al final de la cola. -s f%cil de implementar ya que solamente es necesaria una cola de procesos listos. +uando un proceso consume su .uantum es puesto al final de la cola. -l .uantum debe ser bastante mayor a lo que lleva realizar un cambio de conte!to, sino se tendr% muco overhead . A su vez, el tiempo de .uantum incide en los tiempos de retorno. -s ideal para sistemas de tiempo compartido.

Por lo general, tiene un mayor tiempo de retorno que el 1:, pero mejora el tiempo de respuesta. -s necesario asignar un ajustado tiempo de .uantum/ 1i es muy cico generar% mucos cambios de conte!to. 1i es muy grande, el sistema tender% a un +1. • •

-l promedio del tiempo de retorno var"a seg*n el .uantum.


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FING - UDELAR

Examen diciembre 2006: Calcule el tiem!o de es!era !romedio !ara los si$uientes !rocesos: 'roceso urst Hime 'F 3 '2 6 ' 2 '+  1tilizando: a; 1n !lanificador (hortest )ob >irst B()>;/ b; 1n !lanificador oundDobin con tiem!o de .uantum F/ es!uesta: a; B0 S 2 S 3 S F0;  + T +/23 b; BU S F0 S 3 S ;  + T  B(e tomo el or den 'F5 '25 ' y '+;/ Examen febrero 2009: (e tiene un com!utador con 2 !rocesadores y con un sistema o!erativo de !rocesamiento sim-trico5 cuyo !lanificador tiene una !ol?tica oundDobin de .uantum F/ ¿Cuál será el tiem!o de es!era !romedio total de los si$uientes !rocesos"

es!uesta: Eecutarán de la si$uiente forma: 'rocesador Cola listos B'F5'2; B'5'+; B'5'+; B'F5'2; B'F5'2; B'5'+; B'5'+; B'F5'2; B'F5'2; B'+; B'F5'+; B'2; B'F5'2; B; B'2; B; B'2; B; BHEB'F; S HEB'2; S HEB'; S HEB'+;;  + T B2 S  S 2 S ;  + T 2/3/


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FING - UDELAR 6.5.5

Colas multinivel (Multilevel-Queue)

1i los procesos se pueden clasificar seg*n sus cualidades, es posible dividir la lista de procesos listos (ready .ueue) en varias colas (una para cada clasificaci$n). /os procesos son asignados permanentemente a una de las colas. +ada cola tendr% su propio algoritmo de planificaci$n. Adem%s, se debe tener una estrategia de planificaci$n entre las diferentes colas. Por ejemplo, una cola tendr% prioridad sobre otra.

Examen ulio 200: 7escriba un sistema de !lanificaci*n de !rocesos basado en colas multinivel/ 4ndi.ue .ue ventaas y desventaas !resenta/ Examen diciembre 2003: En un sistema con !lanificador de colas multinivel5 en donde a cada nivel se le asi$na un al$oritmo de !lanificaci*n roundDrobin con diferente .uantum y teniendo mayor !rioridad las colas con .uantum más chico5 ¿.u- ti!os de !rocesos Balto consumo C'1 o alto consumo de o!eraciones de E(; clasificar?an !ara colas con .uantum más bao y cuáles otros !ara colas con .uantum más alto"/ es!uesta: %a !rioridad !ara el uso de un recurso es inversamente !ro!orcional al uso .ue se hace del mismo/ 'or lo tanto5 los !roceso .ue ten$an un alto consumo de C'1 deberán ir a colas de menor !rioridad Bse$8n la letra5 .uantum mayor;5 mientras .ue los !rocesos .ue ha$an mayor uso de E ( tendrán mayor !rioridad de acceso al !rocesador Bcolas con .uatum menor;/ Cuando el !lanificador seleccione un !roceso de alto consumo de C'1 Buna cola de baa !rioridad;5 este eecutará hasta .ue no a!arezca un !roceso de alto consumo de E( B.ue se$uramente demore !oco en la C'1;/ 7e esta forma5 se lo$ra .ue los !rocesos .ue re.uieran !oca C'1 eecuten lo antes !osible y liberen el recurso C'1 rá !idamente de forma de tener un mayor desem!eMo $eneral del sistema/

6.5.6

Multilevel-Feedback-Queue

1e diferencia con el anterior en que procesos pueden cambiar de cola (nivel). 1e basa en categorizar los procesos seg*n el uso de +PU (C'1burst ) que tengan. /a cola de mayor prioridad ser% la de los procesos 4JDbound y la de menor la de procesos con alto C'1Dbound. &e esta forma, se garantiza que los procesos con poco uso de procesador tengan mayor prioridad, y los que consumen muco procesador tendr%n baja prioridad. /os procesos, seg*n el consumo de +PU que agan, ser%n promovidos a una cola de mayor prioridad o rebajados a una de menor prioridad. Un planificador =ultilevelD>eedbac#D,ueue es definido por8


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FING - UDELAR ● ● ●

●

●

-l n*mero de colas. -l algoritmo de planificaci$n para cada cola. -l m'todo utilizado para promover a un proceso a una cola de mayor prioridad. -l m'todo utilizado para bajar a un proceso a una cola de menor prioridad. -l m'todo utilizado para determinar a qu' cola ser% asignado un proceso cuando est' !ronto.

Examen marzo 2009: 7escriba el !lanificador de colas multinivel con feedbac# B=ultilevelD>eedbac#D,ueue;/

6.5.7

Sistemas multiprocesadores

-n un sistema sim'trico cualquier procesador podr% ejecutar procesos de usuario. -s posible asignar una cola de procesos listos para cada procesador. -s conveniente para aprovecar los datos que est%n el la memoria cache del procesador. Un problema posible es que un procesador no tenga procesos para ejecutar, pero otro s". -n este caso se migrar%n procesos de cola. Examen marzo 200: 7escriba el funcionamiento de los !lanificadores a corto5 mediano y lar$o !lazo/ es!uesta: 'lanificador a lar$o !lazo: o Com8n en un sistema !or lotes5 donde no es !osible eecutar inmediatamente todos los trabaos !endientes/ o Eli$e entre los !rocesos almacenados en un dis!ositivo de almacenamiento !ara !asarlo a la ready .ueue/ o Controla el nivel de multi!ro$ramaci*n/ 'lanificador a corto !lazo: o Esco$e entre los !rocesos listos uno !ara asi$narle C'1/ o Eecuta con frecuencia mucho mayor a la del !lanificador a lar$o !lazo/ 'lanificador a mediano !lazo: o Com8n en los sistemas de tiem!o com!artido/ o Homa las decisiones de swa!!in$/ Examen febrero 200+: 7escriba tres de los al$oritmos vistos en el curso de !lanificaci*n de corto !lazo es!uesta: (e !resentan + al$oritmos : F/>irstDCome5 >irstD(erved 'rimero en lle$ar a la readyD.ueue5 !rimero en asi$narle la C'1/ 2/(hortest )ob >irst 7ada una lista de !rocesos se le asi$na la C'1 al trabao .ue le reste menor tiem!o de eecuci*n/ 'ara la eecuci*n de este al$oritmo es necesario .ue re!orten el tiem!o .ue le resta en al$una unidad com8n a todos/ /'riority


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FING - UDELAR A los !rocesos se les asi$na una !rioridad B!/e: un numero natural;/ (e define una relaci*n de orden de estas !rioridades y se$8n ella los !rocesos .ue ten$an mayor !rioridad tendrán acceso al C'1 antes/ +/ound obin (e define un .uantum de tiem!o $lobal a todos los !rocesos/ (e asi$nan los !rocesos a la C'1 y se les .uita cuando termine el tiem!o B.uantum;/ Examen febrero 200+: =uestre a trav-s de un dia$rama de Iantt como ser?a la eecuci*n !ara el si$uiente eem!lo: 'roceso Hiem!o de eecuci*n 'F F0 '2 3 ' 2 '+ + 7efina Bes!ecificando; a $usto datos adicionales .ue su al$oritmo re.uiera Btime slice5 !rioridad5 etc/ ; es!uesta: />irstDCome5 >irstD(erved (u!oniendo un orden de lle$ada: 'F5 '25 ' y '+ 'F '2 ' '+ VDDDDDDDDDDVDDDDDVDDVDDDDV 2/(hortest )ob >irst ' '+ '2 'F VDDVDDDDVDDDDDVDDDDDDDDDDV /'riority Asumiendo las si$uientes !rioridades: 'F D& + '2 D&  ' D& 2 '2 D& F 7onde a mayor n8mero mayor !rioridad/ 'F '2 ' '+ VDDDDDDDDDDVDDDDDDDDVDDDDVDDDDV /oundDobin Asumiendo un .uantum de tiem!o i$ual a + y tomando los !rocesos en el orden 'F5 '25 ' y '+ 'F '2 ' '+ 'F '2 'F VDDDDVDDDDDVDDVDDDDDVDDDDVDVDDV Examen febrero 2006: Considere el si$uiente conunto de !rocesos5 donde la duraci*n de la ráfa$a de C'1 se mide en milise$undos:

(e dis!one de un e.ui!o mono!rocesador y se su!one .ue los !rocesos lle$aron en el orden 'F5 '25 '5 '+5 '35 todos en el instante 0/ a/ 7ibue un dia$rama .ue ilustre la eecuci*n de estos !rocesos utilizando !lanificaci*n: >C>(5 ()>5 una t-cnica !or !rioridad no ex!ro!iativa Ba menor n8mero5 mayor !rioridad;5 y  con cuanto T F/ b/ Calcule el tiem!o de retorno y es!era de los !rocesos !ara el al$oritmo  de la !arte a/ es!uesta:


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FING - UDELAR

 BCuantoTF; Cs T cuantos de es!era Ce T cuantos de eecuci*n tiem!o de 'F T F+ Cs S  Ce Bes!era T F+ms; tiem!o de '2 T F Cs S F Ce Bes!era T Fms; tiem!o de ' T F0 Cs S + Ce Bes!era T F0ms; tiem!o de '+ T 6 Cs S 2 Ce Bes!era T 6ms; tiem!o de '3 T F+ Cs S 9 Ce Bes!era T F+ms; Hiem!o de es!era: Hiem!o total en la cola de listos/ Hiem!o de es!era total T F+ S F S F0 S 6 S F+ T +3ms Hiem!o de es!era !romedio T B F+ S F S F0 S 6 S F+;  3 T U ms Hiem!o de retorno: Hiem!o transcurrido desde .ue se envi* el !roceso hasta .ue termina/ Hiem!o de retorno total T 22 S 2 S F+ S  S 2F T 69ms Hiem!o de retorno !romedio T B 22 S 2 S F+ S  S 2F ;  3 T F5+ ms

6.6 Despachador Una vez que el planificador ejecuta y elige el proceso para asignar al procesador, se invoca al despacador (dis!atcher ) que es el encargado de asignar el proceso al procesador. a tarea 5ue reali!a es: ●

● ●

+ambiar el conte!to8 salvar registros del procesador en P+B del proceso saliente. +argar los registros con los datos del P+B del registro entrante. +ambiar el bit de modo a usuario. 1altar a la instrucci$n adecuada que ab"a quedado el proceso que se asign$ a la +PU (P+).

Examen marzo 200: ¿,u- funciones desarrolla el des!achador Bdis!atcher;" Examen febrero 2003: 4ndi.ue la diferencia entre !lanificaci*n a corto5 mediano y lar$o !lazo/ es!uesta: 'lanificador a lar$o !lazo: (elecciona un !roceso !endiente de eecuci*n Ben un s!ooler5 en almacenamiento secundario; !ara .ue !ase a estado listo y em!iece a com!etir con los demás !rocesos !or C'1 y memoria/ 'lanificador a corto !lazo: (elecciona un !roceso de la cola de !roceso listos !ara asi$narle C'1/ 'lanificador a mediano !lazo: (irve !ara reducir una excesiva contienda !or C'15 !ara eliminar tem!oralmente !rocesos de memoria hacia almacenamiento secundario/ Cuando hay más recursos dis!onibles5 los retorna a donde .ued*/ @ota: Es incorrecto definir cada !lanificador !or la frecuencia con .ue eecuta/ %a frecuencia es una caracter?stica5 !ero no una definici*n/


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7 Procesos y Recursos 7.1 Bloque descriptor de procesos (PCB) /os procesos tendr%n un blo5ue descriptor (P$) que contiene los siguientes campos8 7dentificaci$n de proceso (id&7t8 -!terno, pid8 7nterno). ● Jector de estado8 ● -stado del +PU8 1er% un registro con registros y condiciones etc.. ○ Procesador8 @..Q+PUC. ○
●

● ● ● ●

-stado8 Pronto, -jecutando o Bloqueado (espera por alg*n recurso, apuntado por datos de estado). &atos de estado8 1i est% bloqueado, apunta al recurso por el cual se espera. 1i est% pronto, apunta a la lista de procesos activos (ready list ). Ancestro8 indica qui'n cre$ este proceso. &escendientes8 lista de punteros a P+Bs de los ijos de este proceso. Prioridad. 7nformaci$n contable8 7Gs, Page faults, consumo procesador, memoria en uso etc..

Examen diciembre 2003: ¿Cuál es el motivo de .ue en el 'C B'rocess Control loc#; se reserve lu$ar !ara los re$istros de la C'1" es!uesta: El lu$ar es reservado debido a .ue cuando un !roceso se le .uita el recurso !rocesador5 es necesario $uardar su estado de eecuci*n/ 7e esta forma5 cuando es ele$ido nuevamente !ara hacer uso del !rocesador los re$istros son co!iados del 'C a los re $istros del !rocesador/

7.2 Bloque descriptor de recursos RCB #oda clase de recurso ; se describe mediante su ;+B, que incluye8 7&8 1er% su nombre e!terno. ● 1;8 7ndicar% si es utilizable en forma serial. ● &isponibilidad8 /ista de disponibilidad de ;. ● -spera8 /ista de procesos en espera del recurso ;. +ada nodo de esta ● clase contendr%8 Puntero al P+B del proceso bloqueado. ● Pedido que indica que se desea y ser% de la clase Rpedido de ;R. ● &etalle de la asignaci$n del recurso ;. ● Administrador8 1er% un puntero que describa el c$digo del ● administrador con la siguiente definici$n de funci$n8 Administrador+lase;( ;+B S r, lst-sp; /).


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Operaciones de altas y bajas de las listas

7.3 Transiciones de estados

Examen febrero 2009: a; =encione y realice un dia$rama con los estados y tr ansiciones de los !rocesos/ b; 7iscuta5 se$8n las transiciones5 si un n8cleo B#ernel; es ex!ro!iativo B!reem!tivo; o no / es!uesta: (i el !lanificador es invocado solamente cuando un !roceso finaliza su eecuci*n o cuando se blo.uea5 el n8cleo no es ex!ro!iativo/ (i5 además5 el !lanificador es invocado cuando un !roceso !asa de estado blo.ueado a listo o de eecutando a listo5 el n8cleo se dice .ue es ex!ro!iativo/

7.4 Operaciones sobre procesos type'ef struct 768 { char name$9_:"3$#; unsine' int pi'; emory * memoria; "esources * recursos; 674:tate * reistros; 7riority priori'a'; :tate esta'o; list768 * 'atos#sta'os; 768 * ancestro; list768 * 'escen'ientes;  ; 768 * 6reate7rocess(char * i', emory m0, 7riority p0) { 768 * p = new 768; strcpy(p1i'#t,i'); p1pi' = et3ew>'(); -- ?btener i' interno p1memoria = m0; -- %escriptores 'e memoria p1recursos = 3455; -- "ecursos @acAo p1priori'a' = p0; -- :etear priori'a' p1esta'o = pronto; -- #sta'o pronto p1'atos#sta'o = "5; -- #n la rea'y list p1ancestro = this; -- 7a're el proceso crea'or p1'escen'ientes = 3455; -- 3inBn 'escen'iente >nsert(this1'escen'ientes,p); -- >ns %escen'ientes pa're >nsert("5,p); -- >ns #n la rea'y list return p;  @oi' %estroy7rocess(char * i'#t) { 768 * p = et7ointer(i'#t); -- ?btiene el 768 'el i'#t bool 'espachar = false; if (p1esta'o == eCecutan'o) {


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

7rocesa'orp1procesa'or = 3455; 'espachar = true;  else if (p1esta'o == bloDuea'o) { %elete(p1'atos#sta'o1espera,7); -- :acar 'e cola recurso  else %elete("5,7); -- :acar 'e la "ea'y list for all D in p1'escen'ientes 'o D1ancestro = et768(EinitF); for all rec in p1recursos 'o "elease(rec); /reeemory(p1memoria); 'elete p; if ('espachar) sche'ule();

7.5 Operaciones sobre Recursos /a operaci$n $rear $lase de ecurso implica adquirir una instancia del ;+B y posteriormente inicializar el inventario, la lista de espera, operaciones de altas y bajas en estas listas, as" como la especificaci$n del administrador. type'ef Gaiters_" * (*$llocator)(); type'ef struct "68 { char name$9_:"":63$#; $@ail_" * 'isponibili'a'; Gaiters_" * espera; $llocator a'ministra'or;  ;

7.5.1

Requerir Recurso @oi' "eDuest(char * recurso, "eDuest_" * pe'i'o, $ssin_" * 'etalle$si){ "68 * " = et7ointer(recurso); Gaiters_" * lst768 = 3455; bool me$sinaron = false; bool 'espacha'or = false; "1>nsertGaiters(new Gaiters_"(this,pe'i'o,'etalle$si)); lst768 = *("1a'ministra'or)(); while (lst768 != 3455) { if (lst7681p != this) { >nsert("5,lst7681p); lst7681esta'o = pronto; lst7681'atos#sta'o = "5; 'espacha'or = true;  else me$sinaron = true; lst768 = lst7681net; -- /alta liberar memoria  if (!me$sinaron) { -- %ebo bloDuearme this1esta'o = bloDuea'o; this1'atos#sta'o = "; 7rocesa'orthis1procesa'or = 3455;  else if ('espacha'or) { this1esta'o = pronto; this1'atos#sta'o = "5; 7rocesa'orthis1procesa'or = 3455;  if (this1esta'o != eCecutan'o) sche'ule(); 

7.5.2

Liberar Recurso void eleaseBchar  recurso5 Assi$nX  asi$nado; Y list'C  lstZ C   T $et'ointerBrecurso;Z D&4nsertAvailBasi$nado;Z lst T BD&administrador;B;Z while Blst [T @1%%; Y 4nsertB%5lstD&!;Z


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FING - UDELAR lstD&!D&estado T !rontoZ lstD&!D&datosEstado T %Z lst T lstD&nextZ \ scheduleB;Z \

7.6 Planificador void (wa!B'C  '5 'C  ,; Y int !ros T 'D&!rocesadorZ if B' [T this; 4nterru!tB!ros;Z (alvarEstadoB!ros5'D&re$istros;Z if B' TT this; Austar'CBthisD&re$istros;Z  'oner ]dir retorno/ Car$arEstadoB!ros5,D&re$istros;Z \ void scheduleB; Y 'C  diferidoZ 'C  !Z 'C  ,X=inZ 'riority !rioridad T =AKX'4J47A7Z bool encontre T falseZ while Btrue; Y ! T busco=ayorB!rioridad;Z if B! TT @1%%; Y >inalizoBdiferido;Z brea#Z \ Asi$noC'1%ibreB!5êncontre5^,X=in5^diferido;Z if B[encontre; ^^ B,X=inD&!rioridad _ !D&!rioridad; 'reem!tB,X=in5!5^diferido;Z else Y >inalizoBdiferido;Z brea#Z \ \ \ void Asi$noC'1%ibreB'C  !5 bool  encontre5 'C  ,X=in5 'C  diferido; Y int !ros T 0Z encontre T falseZ ,X=in T !Z while B[Bencontre; ^^ !ros _ ]C'1s; Y if B'rocesador`!ros TT @1%%; Y encontre T trueZ 'rocesador`!ros T !Z !D&!rocesador T !rosZ !D&estado T runnin$Z if B!ros TT thisD&!rocesador; diferido T !Z else car$oEstadoB!ros5!D&re$istros;Z \ else if B'rocesador`!rosD&!rioridad _ ,X=inD&!rioridad; ,X=in T 'rocesador`!rosZ !ros T !ros S FZ \ \ void 'reem!tB'C  ,X=in5 'C  '5 'C  diferido;Y ,X=inD&estado T !rontoZ 'D&estado T eecutandoZ 'D&!rocesador T ,X=inD&!rocesadorZ if B,X=in TT this; diferido T 'Z


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FING - UDELAR else (wa!B,X=in5';Z \ void >inalizoB'C  diferido; Y if BthisD&estado [T eecutando; (wa!Bthis5diferido;Z Exit (cheduleZ  returnZ \

7.7 Ejemplo (semáforo binario) ty!edef e.uestX voidZ ty!edef Assi$nX voidZ ty!edef AvailX intZ WaitersX  AdministradorB; Y WaitersX  lst T @1%%Z if BBBthisD&dis!onibilidad; TT F; ^^ B[4sEm!tyBthisD&es!era;;; Y lst T headBthisD&es!era;Z thisD&es!era T tailBthisD&es!era;Z BthisD&dis!onibilidad; T 0Z \ return lstZ \ AvailX  createAvailB;Y return new intBF;Z  Crea una dis!onibilidad de F/ \  4nsert en dis!onibilidad void 4nsertAvailBAssi$nX  asi$nado; Y BthisD&dis!onibilidad; T FZ \ void 'Bchar  semid; Y e.uestBsemid5 @1%%5 @1%%;Z \ void Bchar  semid; Y eleaseBsemid5 @1%%;Z \ ty!edef struct WaitersX Y 'C  !Z e.uestX  !edidoZ Assi$nX asi$nadoZ WaitersX  nextZ \ WaitersX  createWaiterB;Y return @1%%Z  Crea la cola vac?a de es!era/ \  4nsert en la cola de es!era del recurso B>4>J en este caso;/ void 4nsertWaitersBstruct elemWaitX  e; Y WaitersX  !trZ if BthisD&es!era TT @1%%; Y thisD&es!era T new WaitersXZ thisD&es!eraD&element T eZ thisD&es!eraD&next T @1%%Z \ else Y !tr T thisD&es!eraZ while B!trD&next [T @1%%; !tr T !trD&nextZ !trD&next T new WaitersXZ !trD&nextD&element T eZ !trD&nextD&next T @1%%Z \ \


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8 Administración de memoria 8.1 Introducci ón /a administraci$n de la memoria es una de las m%s importantes tareas del sistema operativo. -n los sistemas operativos multiprogramados es necesario mantener varios programas en memoria al mismo tiempo. -!isten varios esquemas para la administraci$n de la memoria y requieren distinto soporte del hardware . &l sistema operati%o es responsable de las siguientes tareas: ●

●

●

8.2 Conceptos básicos Preparaci-n de un programa para e4ecutar

/os programas son escritos, por lo general, en lenguajes de alto nivel y deben pasar por distintas etapas antes de ser ejecutados8 •

$ompilaci-n (compile):

traducci$n del c$digo fuente del programa a un c$digo objeto. •

•

&nsambla4e (linker ):

ensamblaje de varios c$digos objetos en un arcivo ejecutable. $arga (load ): asignaci$n del arcivo ejecutable a la memoria principal del sistema.

Examen marzo 2003: ¿Cuáles son las eta!as !revias !or las .ue debi* !asar un !roceso .ue se encuentra en la lista de !rocesos listos5 a !artir de un archivo .ue contiene un c*di$o fuente escrito en len$uae C" es!uesta: (e debe !rimero com!ilar Bcom!ile;5 lue$o ensamblar Blin#; con los demás c*di$os obetos !ara crear un archivo eecutable/ >inalmente5 el car$ador del sistema lo debe car$ar Bloader;/ Examen mazo 200: ¿'or cuáles eta!as debe !asar un c*di$o fuente escrito en un len$uae de !ro$ramaci*n de alto nivel antes de !oder ser eecutado en un sistema o!erativo"

Un programa ejecutable consta de secciones de instrucciones y de datos.


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-l lin#er surge ante la necesidad de modularizar y reutilizar c$digo. 1e resuelven las referencias e!ternas, as" como las posiciones relativas de los s"mbolos en los diferentes m$dulos, formando uno consolidado. /a necesidad de ejecutar programas que requer"an m%s memoria de que se dispon"a en el sistema gener$ la t'cnica de memoria virtual propuesta por oteringam en @T>@. /a idea es mantener en memoria f"sica solamente la memoria que el proceso est' utilizando y en resto en disco. &e esta forma, el programador se despreocupaba de la limitaci$n de memoria que impon"a el sistema. /a t'cnica de memoria virtual abstrae la memoria principal en un gran arreglo uniforme de bytes. 1i bien es una t'cnica muy potente, el uso descuidado puede generar una degradaci$n importante del sistema. Examen febrero 200+: ¿,u- !ermite la memoria virtual" es!uesta: Es una t-cnica .ue !ermite .ue la eecuci*n de un !roceso aun.ue -ste no est- com!letamente car$ado en memoria/ Esto hace .ue los !rocesos !uedan ser más $randes .ue la memoria f?sica Bo real; del e.ui!o/ Examen marzo 2006: ¿,u- beneficios brinda el conce!to de memoria virtual" es!uesta: 4nde!endiza la direcci*n de car$a y eecuci*n de la dir/ de memoria rea l/ D ,ue el tamaMo de memoria .ue un !roceso !uede utilizar sea mayor a la memoria f?sica del e.ui!o/ D Abstrae el conce!to de memoria a un lar$o y uniforme es!acio inde!endiente de la dis!onibilidad real/ D (e!ara la vista del usuario de la memoria virtual Bo l*$ica; de la memoria f?sica/

+ada proceso tiene un espacio de direccionamiento virtual (virtual address s!ace ) /as direcciones de memoria que genera el proceso son absolutas en el espacio de direccionamiento. Examen febrero 200+: 7escriba lo .ue es una direcci*n virtual Blo$ical address; y una direcci*n real B!hysical address; es!uesta: 7irecci*n virtual Bl*$ica;: 7irecci*n $enerada !or los !ro$ramas a nivel de C'1/ 7irecci*n real Bf?sica;: Es una direcci*n sobre la memoria r eal Bf?sica;/


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FING - UDELAR Examen febrero 2006: ¿,u- se entiende !or direccionamiento virtual" Ex!li.ue .ue es una direcci*n l*$ica o virtual y .u- es una direcci*n f?sica/ es!uesta: En un sistema .ue manee memoria virtual5 a cada !roceso se le asi$na un es!acio virtual Bo l*$ico; de direccionamiento/ Este es!acio virtual !ermite abstraerse del direccionamiento f?sico Breal;/ 'or lo $eneral el direccionamiento esta restrin$ido !or los bits de la ar.uitectura/ 'or eem!lo5 en una ar.uitectura de 2 bits5 un !roceso !uede $enerar direcciones de hasta 22 T +I/ 'or lo .ue !odr?a acceder a una memoria virtual de +I/ 1na direcci*n l*$ica o virtual es la direcciones $eneradas !or el !roceso Bse !uede decir .ue son las .ue se utilizan a nivel de C'1;5 mientras .ue una direcci*n f?sica es una direcci*n real de la memoria !rinci!al del sistema/ En la mayor?a de los sistemas actuales la unidad de administraci*n de memoria B==1D dis!ositivo de hardware; es la encar$ada de hacer la conversi*n de direcciones l*$icas a f?sicas/ Examen ulio 2009: ¿,u- entiende !or direccionamiento virtual de un !roceso"

$%&' en un sistema de 2 bits, un proceso y realizando un mapeo directo de

direcciones, un proceso tiene un espacio de direccionamiento virtual de 2  4Kb. /a unidad de administraci$n de memoria (<
8.3 Asociación de Direcciones (Address Binding) /a asignaci-n de la ubicaci-n de un programa en memoria principal puede ser realizada en varios tiempos8 Examen mazo 200: ¿.u- entiende !or asociaci*n de direcciones" ●

+iempo de compilaci-n (compile time )8 el programa ser% asignado

a un lugar espec"fio y conocido de la memoria f"sica. /as direcciones de memoria son referenciadas en forma absoluta (static relocation ).


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FING - UDELAR ●

+iempo de carga (load time )8 la asignaci$n del lugar de memoria

●

+iempo de e4ecuci-n (eecution time )8 un programa puede variar

donde ser% cargado el programa es eco al momento de la carga. /as direcciones de memoria deben ser referenciadas en forma relativa (dynamic relocation ). su ubicaci$n en memoria f"sica en el transcurso de la ejecuci$n.

Examen diciembre 2006: 7escriba el m-todo de asi$naci*n de direcciones Baddress bindin$; en tiem!o de eecuci*n Bexecution time;/ es!uesta: El m-todo de asi$naci*n en tiem!o de eecuci*n !ermite a la memoria de un !roceso ser reubicada del lu$ar f?sico mientras el !roceso está activo Beecutando5 listo5 blo.ueado; en el sistema/

8.4 Tipos de direccionamiento 1e definen varios tipos de direccionamiento8 ●

Direccionamiento l-gico (logical address): es el generado por el

●

Direccionamiento /sico ( physical address)8 la unidad de memoria

●

Direccionamiento %irtual (virtual address2: son las direcciones

procesador

manipula las direcciones f"sicas.

l$gicas que se generan cuando e!iste asociaci$n de redireccionamiento en tiempo de ejecuci$n.

Para la asociaci$n de direccionamiento en tiempo de compilaci$n o carga, las direcciones l$gicas o f"sicas coinciden. Do es as" para la asociaci$n en tiempo de ejecuci$n. /as traducciones de direcciones l$gicas a f"sicas son ecas por la <

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FING - UDELAR

8.5 Carga dinámica (dynamic loading): -l tama5o de un proceso en memoria est% limitado por la cantidad de memoria f"sica del sistema. +on el fin de lograr mayor aprovecamiento de la memoria se puede utilizar la carga din%mica. /a carga din%mica dispone que una rutina no es cargada en memoria f"sica asta que no sea invocada. /a ventaja de la carga din%mica es que las rutinas no utilizadas nunca son cargadas en memoria f"sica, por lo tanto no consumen recursos de forma innecesaria. Examen: ¿,u- entiende !or car$a dinámica Bdynamic loadin$;" Ex!li.ue el conce!to y sus beneficios/ es!uesta: El dynamic loadin$ !ermite .ue una rutina no sea car$ada en memoria !rinci!al hasta tanto no se utilice/ Entre los beneficios se !uede mencionar .ue no se car$an innecesariamente rutinas .ue no son invocadas/ A su vez5 los binarios en el sistema ocu!an menos es!acio ya .ue se !ueden crear bibliotecas dinámicas .ue varios !ro$ramas referencien/

8.6 Ensamblaje dinámico (dynamic linking) -n la etapa de ensamblaje de un programa las bibliotecas compartidas pueden incorporarse al arcivo ejecutable generado (ensamblaje est%tico 6 static linNing). E/ en %inux: usrliblibc/a

Gtra opci$n es que las bibliotecas compartidas sean cargadas en tiempo de ejecuci$n (ensamblaje din%mico, dynamic linNing). E/ en %inux usrlibc/so5 en windows system/dll

-n los arcivos ejecutables las bibliotecas est%ticas son incorporadas, mientras que para las din%micas se mantiene una referencia. E/ en %inux comando ls:  ldd binls librt/so/F T& liblibrt/so/F B0x+00Fc000; libc/so/6 T& liblibc/so/6 B0x+000000; lib!thread/so/0 T& liblib!thread/so/0 B0x+0F+U000; libldDlinux/so/2 B0x+0000000;

-sto permite, junto con la carga din%mica, acer un uso m%s eficiente de la memoria, ya que las bibliotecas din%micas se cargan una *nica vez en memoria principal. Examen marzo 2003: Enumere dos ventaas de utilizar librer?as dinámicas en vez de librer?as estáticas/ es!uesta: a/ (e a!rovecha meor el es!acio en disco/ b/ Es más fácil cambiar una versi*n de una biblioteca .ue manten$a los cabezales Bheaders; ya .ue no es necesario reDcom!ilar los c*di$os fuentes de los !ro$ramas/ c/ =eor utilizaci*n de la memoria volátil BA=;/ El sistema o!erativo car$a una 8nica co!ia de la biblioteca dinámica/ %os !rocesos .ue la utilizan hacen referencia sin necesidad de car$arla !ara cada uno/


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8.7 Overlays -n la carga din%mica las rutinas eran cargadas a demanda seg*n su invocaci$n. Para lograr un mejor uso del recurso memoria se mantiene solo las instrucciones y datos que son necesarios en un momento dado. E/: twoD!ass assembler V Pass@ W3Eb. V Pass =3Eb. V 1ymbol #able 3Eb. V +ommon routines 23 Eb.

8.8 Swapping -n sistemas multiprogramados m%s de un proceso est% cargado en la memoria principal. Para obtener un mayor nivel de multiprogramaci$n, los procesos que no est%n ejecutando pueden ser llevados a disco temporalmente. -l disco (bac#in$ store) es un espacion donde se dispondr%n las im%genes de memoria de los procesos. Al mecanismo de llevar un proceso desde memoria principal a disco se le denomina swa!Dout . Al inverso se le denomina swa!Din . -l mayor tiempo considerado en el swa!!in$ es el tiempo de transferencia -l lugar de memoria donde ser% asignado un proceso en el momento de s?ap6in depende del m'todo de asociaci$n de direccionamiento (address binding) utilizado. -n la asociaci$n en tiempo de compilaci$n o de carga (com!ile5 load time ) debe ser el mismo lugar, mientras que si la asociaci$n es en tiempo de ejecuci$n la asignaci$n del lugar es libre.


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Examen febrero 200: 7escriba brevemente en .ue consiste la t-cnica de swa!!in$ as? como su o!ortunidad de uso/ es!uesta: Consiste en retirar a almacenamiento secundario casi la totalidad de las !á$inas de un !roceso de forma de $enerar una $ran dis!onibilidad de memoria real/ Esto es necesario 5 en situaciones de PHhrashin$Q o sobrecar$a del sistema de memoria virtual/

8.9 Asignaci ón de memoria /a memoria, por lo general, se divide en dos particiones8 ● ●

1istema operativo residente. Procesos de usuarios.

-s necesario un mecanismo de protecci$n de memoria entre procesos entre s" y el sistema operativo. -l registro de ubicaci$n (relocation re$ister ) y el registro l"mite se utilizan para realizar la verificaci$n de accesos v%lidos a la memoria. #oda direcci$n l$gica debe ser menor al valor del registro l"mite.

8.10 Multiprogramaci ón con particiones fijas -l sistema es inicializado con un n*mero de particiones fijas, limitando el n*mero de procesos concurrentes. /os procesos son asignados a memoria en el momento de carga a particiones libres.


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A medida que terminan nuevos procesos son cargados en las particiones que quedan libres. Un ejemplo fue el sistema G12T30<# (=ulti!ro$rammin$ with a >ixed number of Has#s). 8.11 Multiprogramaci ón con particiones variables /os procesos son asignados a memoria en forma contigua. A medida que terminan van generando 9agujeros9 en la memoria principal en donde los nuevos procesos son cargados.

8.12 Estructuras para asignaci ón -l sistema operativo debe llevar cuenta de las particiones ocupadas y libres. os métodos m3s comunes utili!ados son a tra%és de: ● ● ●

8.13 Estrategia de asignaci ón -n la asignaci$n de memoria a un proceso e!isten varias estrategias8 ?irst fit 8 asigna el primer 9agujero9 de memoria libre que satisfaga la

necesidad 7est fit 8 asigna el mejor 9agujero9 de memoria libre que e!ista en la memoria principal 3orst fit 8 asigna el requerimiento en el 9agujero9 m%s grande que e!ista en la memoria principal

-studios de simulaci$n an mostrado que firstDfit y bestDfit lograron mejores rendimientos en tiempo de asignaci$n y utilizaci$n de la memoria que la estrategia worstDfit .


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Examen febrero 200: En la $esti*n de memoria5 ¿.u- !roblemas !lantea el al$oritmo de b8s.ueda de blo.ues libres est >it" es!uesta: 4ncrementa el consumo de C'1 en ocasi*n de la b8s.ueda y tiende a $enerar blo.ues libres extremadamente !e.ueMos y escasamente reusables/ Examen diciembre 2003: En un sistema con se$mentaci*n de +0U6 bytes de memoria f?sica5 se tienen asi$nados los si$uientes se$mentos: ase %ar$o Bbytes; F00 F30 00 F02+ +0 20 2600 3F2 F3 F2 ¿Cuál ser?a la asi$naci*n en memoria f?sica de los tamaMos de se$mentos .ue a!arecen en la lista de abao5 se$8n las estrate$ias de asi$naci*n >irstDfit5 estDfit y WorstDfit" Asuma .ue los !edidos de se$mentos lle$an en orden de iz.uierda a derecha5 la memoria em!ieza en la direcci*n 0 y los se$mentos .ue no !ueda ubicar son descartados/ %ista de se$mentos nuevos: F25 +05 F02+5 25 +05 +3/ es!uesta: Bbase5 lar$o; >irst >it: BF+65F2;5 B05+0;5 descartado F02+5 B6052;5 B2305+0;5 BF6F+5 +3; est >it: BFF25F2;5 B05+0;5 BF+65F02+;5 BF2+52;5 B605+0;5 B2305 +3; Worst >it: BF+65 F2;5 BF6F+5 +0;5 descartado F02+5 BFF252;5 BF++5+0;5 BF63+5 +3; Examen abril 200: 7escriba brevemente las si$uientes t-cnicas de asi$naci*n de memoria: >irst >it5 est >it5 Worst >it/ 4ndi.ue las ventaas y desventaas de cada una de ellas es!uesta: >irst >it Asi$na el !rimer es!acio .ue ten$a tamaMo suficiente/ %a b8s.ueda !uede comenzar en el inicio de la lista de es!acios5 o donde termin* la b8s.ueda anterior/ %a b8s.ueda termina al encontrar el !rimero de tamaMo suficiente/ Es el más rá!ido de los 5 si bien en la utilizaci*n de almacenamiento es com!arable a est >it/ est >it Asi$na el menor es!acio de tamaMo suficiente/ Nay un mayor costo en la b8s.ueda o en la inserci*n se$8n se manten$a o no una lista ordenada de es!acios libres/ 'roduce el fra$mento sobrante más !e.ueMo5 .ue tendrá una escasa !robabilidad de volver a ser reusado/ Worst >it Asi$na el hueco más $rande5 a fin de evitar el !roblema anterior/ (in embar$o si$ue siendo ineficiente como est >it/

8.14 Fragmentaci ón /as estrategias de asignaci$n presentadas muestran problemas de fragmentaci$n e!terna.


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-n la memoria van quedando una cantidad de 9agujeros9 cicos, que no son asignados. /a memoria libre est% fragmentada en una gran cantidad de 9agujeros9 cicos. /a fragmentaci$n e!terna e!iste cuando e!iste suficiente memoria libre en el sistema para satisfacer un requerimiento de memoria, pero no es posible asignarlo debido a que no es contiguo. 8.15 Paginaci ón /a paginaci$n es una t'cnica que divide a la memoria f"sica en particiones de tama5o fijo llamados frames . A su vez, el espacion de direccionamiento virtual es dividido en unidades fijas del mismo tama5o que los frames ( !a$e size) denominadas p%ginas ( !a$es). /as p%ginas tienen un tama5o que es potencia de  y, en general, son desde F@ bytes a @>
+uando un proceso ejecuta, sus p%ginas son cargadas en los frames de memoria principal y en disco (secci$n de swa!). /os frames en el swa! tienen el mismo tama5o que los frames de memoria principal. 8.16 Direccionamiento en paginaci ón /as direcciones virtuales en paginaci$n se componen de un n*mero de p%gina ( !a$e number ) y un desplazamiento (offset ). -l n*mero de p%gina es un "ndice sobre una tabla de p%ginas ( !a$e table) y el desplazamiento es la referencia dentro del frame /a tabla de p%gina contiene el mapeo del frame correspondiente. -l tama5o de la p%gina es n


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Examen febrero 200: 7ado un sistema con !a$inaci*n5 donde la memoria tiene un ciclo de acceso de 200ns y hay una !robabilidad del 30 de hallar en el cache del !rocesador la entrada corres!ondiente en la tabla de traducci*n de !á$inas/ 4ndi.ue la velocidad !romedio de acceso a memoria/ es!uesta: %a velocidad !romedio de acceso a memoria será de 00 ns/ (i hallamos el descri!tor en el H% T& un acceso a memoria a!licable al 30 de los casos/ (i no hallamos el descri!tor en el H% T& 2 accesos a memoria a!licable al 30 de los casos/ Como la !robabilidad de hallar en el H% el descri!tor es del 30 5 entonces H T 0/3  200 S 0/3  +00 T 00 Examen febrero 200+: ¿En .u- consiste el modelo de !a$inaci*n sim!le Bde un nivel;" =uestre c*mo las dir ecciones virtuales se ma!ean a direcciones reales/ =encione todos los elementos involucrados/ es!uesta: 'a$inaci*n sim!le: %a memoria real es dividida en blo.ues Bframes; de tamaMo fio/ %a memoria virtual es tambi-n divida en blo.ues del mismo tamaMo .ue son llamados !á$inas/ El tamaMo de !á$ina esta dado !or el hardware/ %a traducci*n de una direcci*n virtual a real se hace as?: %as direcciones virtuales se dividen en 2 !artes: un n8mero de !á$ina y un offset: M66666666666M666666666666M X p X d X M66666666666M666666666666M 7irecci*n virtual ! es un ?ndice de la tabla de !a$inaci*n B.ue en $eneral la !rove- el hardware;/ Con ! se va a la tabla y se obtiene f Bframe de la memoria rea l;5 .ue unto con d forman la direcci*n real: M66666666666M666666666666M X f X d X M66666666666M666666666666M 7irecci*n real Examen ulio 200+: (e tiene un sistema de $esti*n de memoria !a$inada/ El es!acio de direccionamiento virtual es de F0 !á$inas de F02+ !alabras5 la !alabra es 2 bytes de tamaMo/ %a memoria f?sica esta dividida en 2 marcos/ a/ ¿Cuántos bits com!onen una direcci*n virtual" )ustifi.ue brevemente/ b/ ¿Cuántos bits com!onen una direcci*n f?sica" )ustifi.ue brevemente/ es!uesta: En memoria !a$inada las direcciones virtuales se com!onen de un n8mero de !á$ina y del des!lazamiento dentro de la !á$ina/ El n8mero de !á$inas totales es F05 !or lo .ue se !recisan + bits !ara disti$uir entre ellas/ =ientras .ue cada !á$ina tiene F02+ !alabras5 si se referncia !or !alabra se deberán utilizar F0 bits5 si es !or byte es de FF/ Entonces con referenciamiento !or !alabra ser?an: F+ bits B+ S F0;/ Entonces con referenciamiento !or byte ser?an: F3 bits B+ S FF;/ b;'ara direccionar una direcci*n f?sica5 es necesario indicar su n8mero de marco de !á$ina y su des!lazamiento: El n8mero de marcos de !á$inas totales es 25 !or lo tanto5 !ara distin$uir entre estos 2 marcos hacen falta 3 bits/ El des!lazamiento corres!onde al tamaMo del marco de !á$ina5 i$ual al de la


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FING - UDELAR !á$ina5 !or lo tanto de F02+ !alabras5 lue$o es necesario F0 bits !ara distin$uir entre las !alabras u FF bits si el des!lazamiento se ex!resa en bytes/ En total !ara re!resentar la direcci*n f?sica son necesarios F3 bits si se ex!resa el des!lazamiento en !alabras o F6 bits si se ex!resa en bytes/ Examen febrero 2009: a; ¿'ara .u- se utiliza la tabla de !á$inas" es!uesta: (u funci*n !rinci!al es !ara !oder realizar la traducci*n de !á$ina virtual a frame f?sico/ b; ¿A .u- nivel se mantiene en memoria Bmemoria del sistema o!erativo o del !roceso;" es!uesta: %a estructura es $uardada a nivel del sistema o!erativo/ 7e otra forma5 el !roceso !odr?a modificarla/ Hambi-n se !uede mencionar .ue el !roceso la !uede acceder5 !ero solo en formato lectura/ c; ¿El Hranslation %oo#Daside uffer !ara .u- sirve"

8.17 Soporte a nivel de hardware /a mayor"a de los sistemas operativos asignan una tabla de p%gina por proceso. Un puntero al comienzo de la tabla de p%gina es agregado al P+B del proceso. -l uso de registros para alojar la tabla tiene la ventaja del acceso r%pido, pero la cantidad de entradas es muy limitada E/ 7EC '7'DFF

+ontaba con direcciones de @> bits y por lo tanto, su espacio de direccionamiento era de >4Eb. -l tama5o de p%gina era de =Eb, por lo que la tabla contaba con solamente = entradas (dispuestas en los registros del procesador). -n los sistemas actuales no es posible guardar todas las entradas en registros de r%pido acceso. /a tabla se mantiene en memoria principal y se asigna a un registro que apunta a la direcci$n base de la tabla (P#B; 6 'a$e Hable ase e$ister ). /a opci$n del P#B; mejora el cambio de conte!to entre procesos ya que solo es necesario cambiar un registro para acceder a la tabla de p%gina. 1in embargo, el acceso a memoria se duplica debido a que es necesario primero acceder a la tabla para obtener el Yumero de frame y posteriormente al lugar de memoria solicitado. /a soluci$n es utilizar una peque5a cache de la tabla de p%gina8 #/B 6 Hranslation %oo#Daside uffer . -l cache #/B es asociativa y de r%pido acceso. +ada entrada consiste en dos partes8 una clave (ta$) y un valor (el n*mero de frame). /a b*squeda de una clave en la cache #/B es simult%nea entre todas las ta$s. 1i la clave es encontrada (#/B hit ), inmediatamente se genera la direcci$n buscada a partir del valor asociado .-n caso contrario (#/B miss), es necesario realizar el acceso a memoria para obtener la entrada. Posteriormente, se guarda el valor obtenido en la cache #/B para posteriores accesos (principio de localidad).


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/os #/B por lo general tienen pocas entradas (>4 a @34). Algunas caches #/B agregan a cada entrada un identificador de espacio de direccionamiento (A17& 6 Address (!ace 47entifier ). -n la b*squeda de una clave solo ser%n tenidas en cuenta las entradas cuyo A17& coincida con el del proceso que se est% ejecutando en el procesador. -l uso del identificador permite que en la cache #/B contengan entradas para varios procesos de forma simult%nea. 1i no se utiliza el A17&, en cada cambio de conte!to es necesario 9limpiar9 las entradas en la #/B, si no se realizar"an accesos equivocados a memoria. Examen marzo 200: a; ¿,u- es y !ara .ue sirve la H% y .ue o!timizaci*n !odr?a utilizarse a nivel de hardware !ara o!timizar su utilizaci*n" es!uesta: %a H% B Hranslation %oo#Daside uffer ; es un conunto de re$istros construidos con memoria de alta velocidad .ue5 dado un n8mero de !á$ina se com!ara simultáneamente con todas las entradas .ue contiene y si se encuentra el n8mero de marco corres!ondiente5 entonces se devuelve/ Es usado a modo de cache !ara mantener al$unas de las entradas de la tabla de !á$inas/ A diferencia de la tabla de !á$inas tradicional5 en $ral/ se evita tener dos accesos a memoria B el acceso a la tabla y el acceso efectivo ; !ara acceder a una localidad/ A nivel de hardware se !uede o!timizar haciendo .ue la ==1 car$ue en la H% una entrada5 lue$o de resolverla B e: ('AC5 0x6 ;5 en vez de dele$arlo al sistema !ara .ue lo ha$a a nivel de software B e: =4'( ;/ b; F/ Ex!li.ue los re.uerimientos de hardware y software necesarios !ara so!ortar un mecanismo de se$mentaci*n/ ¿'or .u- seria bueno utilizar este mecanismo" es!uesta: (e re.uiere una tabla de se$mentos o descri!tores usada !ara ma!ear las dire cciones virtuales B se$mento5 offset ; en direcciones f?sicas/ %a tabla debe ma!ear en s? n8meros de se$mento en el l?mite y base de cada uno/ (i se mantiene en memoria5 debe mantenerse re$istros base y l?mite de la tabla/ 7ebe verificarse .ue el offset est- entre ambos5 o $enerar una tra!/ Este mecanismo es bueno !or.ue !ermite la !rotecci*n de se$mentos5 si se utilizan bits de !rotecci*n asociados a cada entrada de la tabla/ El hardware los consultará !ara evitar accesos ile$ales a memoria B e: escribir en un se$mento de s*lo lectura ;/ Nabitualmente en el se$mento se a$re$a un !untero inverso hacia la tabla/ 2/ ¿C*mo resolver?a ud/5 utilizando el entorno de BF;5 l a necesidad de com!artir se$mentos entre !rocesos" es!uesta: %a se$mentaci*n !ermite el com!artimiento de c*di$o o datos entre distintos !rocesos/ 'ara los se$mentos de c*di$o se com!arte el diccionario5 !ara los se$mentos de datos las alternativas son: i/ (*lo un descri!tor a!unta la se$mento y otros !rocesos


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FING - UDELAR cuentan con co!ias .ue a!untan al !rinci!al B dando un nivel de indirecci*n ; ii/ ,ue hayan descri!tores adicionales .ue a!unten al ori$inal/ / ¿C*mo im!lementar?a la reor$anizaci*n de la memoria contem!lando B2; y en un ambiente de multi!rocesadores" es!uesta: Ante la necesidad de reor$anizar memoria5 con la alternativa Bi;5 se debe blo.uear el descri!tor ori$inal5 se des!laza el se$mento y lue$o se actualiza el descri!tor5 !ues en el momento de hacerlo !uede haber otro !roceso eecutándose/ Con la alternativa Bii; se debe hacer lo mismo5 !ero !ara todo descri!tor5 debiendo realizar un scan de los diccionarios .ue !otencialmente lo referencien5 buscando las co!ias/ Examen diciembre 2003: En un sistema con memoria virtual5 ¿cuál es la funci*n del dis!ositivo de hardware ==1 BmemoryDmana$ement unit;" es!uesta: ealizar la traducci*n de direcciones de memoria virtuales a f?sicas/ Examen diciembre 2006: En un sistema .ue so!orta memoria virtual/ ¿,ui-n realiza las traducciones de memoria virtual a f?sica" 7escriba c*mo se hace la traducci*n de virtual a f?sica en !a$inaci*n/ es!uesta: %a traducci*n es realizada !or el dis!ositivo ==1 B=emory =ana$ement 1nit;/ En el cambio de contexto5 cuando un !roceso es asi$nado a un !rocesador5 se car$a el re$istro 'H B'ointer Hable ase e$ister; de la ==1 con la direcci*n base de la tabla de !á$ina/ Cada acceso a memoria Bvirtual; $enerado !or un !roceso es traducido a memoria f?sica !or l a ==1/ En !a$inaci*n la direcci*n virtual se com!one de una secci*n .ue indica la entrada de la tabla de !á$inas .ue se accede B!ara obtener el n8mero de marco; y de otra secci*n .ue indica el des!lazamiento dentro del marco/ Examen febrero 2009: ¿,u- funci*n cum!le la H%" es!uesta: Cum!le la funci*n de memoria cache de las entradas de la tabla de !á$inas/ Esto !ermite meor velocidad de acceso5 ya .ue si se lo$ra un hit en la cache no es necesario acceder a memoria f?sica a buscar la entrada corres!ondiente de la tabla de !á$inas/ Examen febrero 200: a/ ¿'ara .u- es utilizada la H% BHranslation %oo#Daside uffer;" b/ ¿%a H% es un dis!ositivo de hardware o software"

8.18 Tiempo efectivo de acceso (Effective Access Time) -l porcentaje de veces que un n*mero de p%gina es encontrado en la cache #/B es denominado hit ratio. -l tiempo efectivo de acceso se define mediante la siguiente f$rmula EAH: hit ratio  Btiem!o de b8s.ueda en H% S tiem!o de acceso a memoria; S B F D hit ratio ;  B2  tiem!o de acceso a memoria;

/a medida nos permite saber la ganancia de la utilizaci$n de la cache #/B 8.19 Protecci ón de memoria /a tabla de p%gina tiene una entrada por cada p%gina posible que tenga el proceso. -s necesario identificar cu%les son entradas v%lidas y cu%les no. /a utilizaci$n de un bit de protecci$n en cada entrada determina si la p%gina es v%lida o inv%lida (validDinvalid bit;.


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-l acceso a una p%gina cuyo bit marca que es inv%lida, genera un tra! a nivel del sistema operativo.

8.20 Estructura de la tabla de p ágina -n un sistema de 2 bits que utilice p%ginas de 4Eb se necesitar"an cerca de @ mill$n de entradas en la tabla de p%gina. -s necesario buscar alguna estructura m%s eficiente en cuanto al tama5o ocupado por la tabla de p%gina. Se proponen las siguiente estructuras. ● ● ●

8.20.1

:er%rquica &iccionarios 7nvertida

Jerá rquica

/a estructura se basa en paginar la tabla de p%gina. &e esta forma, e!istir% una jerarqu"a de p%ginas. /a idea es dividir el componente inde!ado en la tabla de p%gina, de la direcci$n virtual, en varios niveles. Este es.uema se !uede a!licar varias veces y lo$rar varios niveles de indexaci*n/ en el $ráfico se ven 2 niveles/


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8.20.2 Diccionarios

Una opci$n es implementar una tabla de hash abierto con el valor de la componente de n*mero de p%gina. -sta estructura es conveniente para arquitecturas de m%s de 2 bits.


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8.20.3

Invertida

1e dispone de una *nica tabla de p%gina global del sistema. A diferencia de los anteriores que e!iste una tabla por proceso. 1e aumentan los tiempos de b*squeda, en favor de la reducci$n del espacio utilizado en memoria principal.

8.21 Compartimiento /os procesos se componen de una parte de c$digos y datos privados y de otra que puede ser compartida. /a posibilidad de dividir el espacio de direccionamiento en p%ginas, permite a las procesos compartir en forma eficiente las p%ginas comunes en memoria. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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Eem!lo 8 ● ● ●

/a secci$n de c$digo de un mismo proceso. -l c$digo de una biblioteca din%mica.
-sto permite un uso m%s eficiente de la memoria.

8.22 Segmentaci ón

/a segmentaci$n es una t'cnica que asigna segmentos contiguos de memoria para las %reas de memoria de un proceso. &e esta forma, logra acomodarse m%s a la visi$n de la memoria por parte del usuario. Un proceso se compone de una secci$n de c$digo, una pila (stac# ), un espacio para la memoria din%mica (hea!), la tabla de s"mbolos, etc. +ada componente se agrupa en un semento del tama5o necesario.


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8.22.1 Soporte a nivel de hardware

+ada segmento tendr% un nombre (o n*mero) y un largo asociado. /as direcciones virtuales se componen de un n*mero de segmento y el desplazamiento dentro del segmento.

-l desplazamiento debe ser menor que el largo asociado al segmento. /a tabla de segmentos tendr% una entrada por cada segmento, en donde estar% la direcci$n f"sica base del segmento (base re$ister ) y el largo del mismo (limit re$ister ). -n la traducci$n de direcci$n virtual a f"sica se controlan el n*mero de segmento con el m%!imo que tenga el proceso (el registro 1#/; 6 (e$ment Hable len$th e$ister 6 define el n*mero m%!imo de segmento utilizado por el proceso) y el desplazamiento contra el registro l"mite. /a tabla de sementos es mantenida en memoria principal y se asigna un registro que apunta a la direcci$n base de la misma (1#B; 6 (e$ment Hable ase e$ister ).

Examen febrero 200: Es!ecifi.ue los re.uerimientos de hardware !ara so!ortar eficientemente y en modo !rote$ido un es.uema de se$mentaci*n de memoria/ es!uesta:


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FING - UDELAR El !rocesador deberá contar con:  diferentes niveles de eecuci*n de instrucciones se$8n el es.uema habitual/  instrucciones !rivile$iadas y !rote$idas .ue entre otros cometidos !ermitan ase$urar la inte$ridad de los descri!tores/  El direccionamiento del es!acio de memoria deberá ser a trav-s del uso de descri!tores !rote$idos/ %os mismos deberán contar tambi-n con la indicaci*n del lar$o del se$mento5 debi-ndose !roducir una exce!ci*n en ocasi*n de indexar un descri!tor con un valor su!erior a -ste/ Examen febrero 200+: 7escriba el modelo de se$mentaci*n/ =uestre como las direcciones virtuales se ma!ean a direcciones reales/ =encione todas las estructuras y elementos involucrados/ es!uesta: (e$mentaci*n es un es.uema .ue so!orta la !ers!ectiva de la vista del usuario de lo .ue es la memoria/ %a memoria se divide en se$mentos de diferentes tamaMos/ %os se$mentos están dados !or la memoria usada !or los !ro$ramas/ El es!acio de las direcciones l*$icas de un !roceso es un conunto de los se$mentos/ 1n eem!lo de un !roceso: (e tiene un se$mento !ara las variables $lobales5 otro !ara el stac#5 otro !ara el c*di$o del !ro$rama5 otro !ara cada variable local de los !rocedimientos y funciones/ %a traducci*n de una direcci*n virtual a real se hace as?: %as direcciones virtuales se dividen en 2 !artes: un n8mero de se$mento y un offset: M66666666666M666666666666M X s X d X M66666666666M666666666666M 7irecci*n virtual s es un ?ndice sobre la tabla de se$mentaci*n B.ue en $eneral la !rovee el hardware;/ Cada entrada de la tabla de se$mentaci*n tiene 2 cam!os: l?mite y base/ El l?mite es el tamaMo del se$mento y la base es la direcci*n real de donde comienza el se$mento en memoria real/ 'or un lado se verifica .ue: d _ l?mite5 sino es as? entonces se !roduce un tra! de error/ 'or otro lado se hace la suma: base S d !ara obtener la direcci*n real M666666666666666666666666M X base M d X M666666666666666666666666M 7irecci*n real Examen diciembre 200+: En un sistema con maneo de memoria a trav-s se se$mentaci*n5 se tiene el si$uiente acceso a memoria en el ambiente/ M666666666666666M X @3 X @24 X Acceso a memoria del !roceso '/ M666666666666666M M66666666666666666666666M @3 X @@@ X 2@ X SDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DS Habla de (e$mento !ara el !roceso '/ @@ X @3@@ X 22F X M666666666666666666666 6M /// ¿El acceso a memoria es válido" )ustifi.ue/ es!uesta: @o es válido/ (i bien se accede a un lu$ar de memoria del !roceso5 este está fuera del ran$o del se$mento5 !or lo .ue ocurre un tra!/ Examen febrero 2003: 4lustre y ex!li.ue brevemente como se im!lementa la corres!ondencia entre direcciones virtuales y f?sicas en un es.uema de se$mentaci*n/ es!uesta: %a direcci*n l*$ica está dada !or un n8mero de se$mento Bs; y un des!lazamiento Bd; dentro del mismo/ Con s se indiza la tabla de se$mentos5 .ue tiene la base y el l?mite del se$mento en memoria f?sica/ (i d _ 0 * d  l?mite5 es un intento de acceso err*neo o no válido5 si no5 se suma el des!lazamiento a la base y se obtiene la direcci*n real/


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8.22.2

Protecci ó n de memoria

Al dividir la memoria en segmentos se permite que cada uno tenga asociado un conjunto de permisos sobre 'l.


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Un segmento de c$digo es normal que tenga permisos de lectura y ejecuci$n y no de escritura. Un segmento de datos tendr% permisos de lectura y escritura. 1e define un conjunto de bits de protecci$n (bit !rotection) que el hardware controla. 8.22.3 Compartimiento

/os segmentos permiten una forma clara y sencilla para ser compartidos entre varios procesos.

8.23 Comparación Paginaci ón - Segmentaci ón /a paginaci$n genera ragmentaci-n interna. &ado que la granularidad es a nivel de p%gina, se generar% espacio de memoria dentro de las p%ginas que quedar% sin uso. /a segmentaci$n sufre de ragmentaci-n e7terna. /os segmentos son asignados de forma continua, pero a medida que son liberados generan uecos que luego, al no ser completados totalmente, generan *uecos m%s cicos que quedan inutilizados. Para solucionar esto es necesario una reorgani!aci-n de la memoria (tarea no menor). /a segmentaci$n logra implementar la visi$n que el usuario tiene de la memoria. -n paginaci$n el espacio de direccionamiento de un proceso se distribuye de forma no contigua.


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/a segmentaci$n logra compartir y proteger memoria entre procesos de forma m%s directa. Por ejemplo, en paginaci$n compartir un espacio de direccionamiento de un proceso implica mantener una gran cantidad de referencias de p%ginas compartidas, mientras que en segmentaci$n se comparte el segmento. -n paginaci$n, la asignaci$n de una p%gina de memoria es m%s r3pida. Utilizando un vector de bits se obtiene de forma sencilla un frame libre de memoria donde puede ser asignada la p%gina. -n segmentaci$n es necesario mantener una lista y la b*squeda se ace m%s costosa. Examen marzo 200+: 7e tres ventaas de la se$mentaci*n .ue no ten$a la !a$inaci*n/ Examen febrero 2003: 7e tres ventaas de la se$mentaci*n frente a la !a$inaci*n/ es!uesta: 'ers!ectiva de memoria del usuario: Cada se$mento re!resenta una !orci*n de un !ro$rama definida semánticamente5 haciendo .ue todos los re$istros del mismo se utilicen de la misma forma/ El usuario no ve la memoria como un arre$lo lineal de !alabras Bel enfo.ue de la !a$inaci*n;5 sino .ue identifica estructuras de datos como tablas5 !ilas5 m*dulos5 etc/ Cada uno se !uede indentificar individualmente y tiene un tamaMo variable/ 'rotecci*n: Con se$mentaci*n es !osible definir el nivel de acceso a cada se$mento/ A$re$ando bits en las entradas de la tabla de se$mentos5 !or hardware se !ueden evitar acceso ile$ales5 !/ e/ escribir en un se$mento de s*lo lectura/ Com!artimiento: Cada !roceso tiene una tabla de se$mentos asociada a su 'C/ El des!achador la co!ia a la tabla de se$mentos 8nica del hardware cuando !asa un !roceso a eecuci*n5 y la res!alda desde all? cuando !ierde el !rocesador/ Como un se$mento se corres!onde a un obeto de !ro$rama !articular5 se !uede com!artir este obeto haciendo .ue las res!ectivas entradas en las tablas de se$mentos a!unten a la misma localidad f?sica/ Examen ulio 2003: En una ar.uitectuera multi!rocesador con se$mentaci*n5 describa los !asos y dificultades en ocasi*n de cambiar un se$mento de lu$ar como resultado de reor$anizar la memoria/ es!uesta: %ocalizar es!acio libre conti$uo de tamaMo suficiente !ara ubicar el se$mento a mover/ lo.uear los !rocesos .ue referencial al se$mento f?sico a reubicar/ =over el se$mento/ =odificar las tablas de se$mento de los !rocesos antes mencionados Bcolocando en la entrada corres!ondiente el nuevo valor base y l?mite;/ 7esblo.uear los !rocesos/ Examen ulio 2003: =encione las caracter?sticas !rinci!ales de la !rotecci*n y el com!artimiento de se$mentos en una ar.uitectura con maneo de memoria a trav-s de se$mentaci*n/ es!uesta: 7ado .ue existen se$mentos de instrucciones de c*di$o y de datos5 a cada uno de ellos se les !uede asociar un modo de acceso Blecturaescritura;/ 7e esta forma5 se !ueden $enerar controles a trav-s de hardware .ue !ermitan $arantizar el acceso a los mismos !or !arte de los !ro$ramas Com!artir se$mentos de c*di$os B.ue son se$mentos de lectura;5 !ermite maximizar el uso de la memoria !rinci!al/ %os !rocesos .ue com!arten un se$mento de c*di$o5 solo manean la referencia al se$mento com!artido !or ambos5 y no hay necesidad de tener varias co!ias de un mismo se$mento/ Examen marzo 2006: 7escriba ventaas y desventaas de maneo de memoria a trav-s de se$mentaci*n/ es!uesta: entaas: D (im!le com!artir y !rote$er obetos5 lin#in$ dinámico5 reubicaci*n etc/ D 'odr?an haber 2 diccionarios Bc*di$o y datos;5 !ermitiendo !or e/ reusar c*di$o automáticamente/ 7esventaas: D Com!leas !ol?ticas de ubicaci*n y reem!lazo/ D >ra$mentaci*n externa/ Examen febrero 200:


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FING - UDELAR ¿Cuáles son las ventaas de utilizar se$mentaci*n con res!ecto a !a$inaci*n"

8.24 Segmentaci ón con paginaci ón /a paginaci$n y la segmentaci$n se pueden combinar para potenciar las ventajas de cada t'cnica. -jemplo de una arquitectura de este tipo es 7ntel. /a memoria es segmentada, y los segmentos se conforman de p%ginas. /as direcciones virtuales contienen un identificador de segmento y un desplazamiento, a partir de ellos se genera un direcci$n lineal de 2 bits (en el caso de arquitectura de 2 bits). /uego, la direcci$n es traducida a una direcci$n f"sica.


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9 Memoria Virtual 9.1 Introducci ón /a necesidad de ejecutar programas que requer"an m%s memoria de la que se dispon"a en el sistema gener$ la t'cnica de memoria virtual propuesta por oteringam en @T>@. /a idea es mantener en memoria f"sica solamente la memoria que el proceso est' utilizando y el resto en disco. /a t'cnica de memoria vitual abstrae la memoria principal en un gran arreglo uniforme de bytes. 1i bien es una t'cnica muy potente, el uso descuidado puede generar una degradaci$n importante del sistema. E/: estructura del es!acio de direccionamiento en (unJ( ('AC B2 y 6+ bits;

Es.uema de im!lementaci*n de memoria virtual


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Examen ulio 2003: (i se dis!one de un sistema o!erativo .ue no im!lementa el conce!to de memoria virtual5 ¿.u !roblemas identifica en la eecuci*n de los !rocesos" ¿'odr?a existir la multi!ro$ramaci*n en ese sistema" es!uesta: @o !odr?an existir !rocesos de tamaMo mayor .ue la memoria f?sica dis!onible ya .ue los !rocesos deben car$arse com!letamente en memoria !ara eecutar/ (? !uede existir multi!ro$ramaci*n5 limitada !or la cantidad de !rocesos .ue !uedan car$arse com!letos simultáneamente/

9.2 Implementaci ón /a implementaci$n de memoria vitual es realizada a trav's de la t'cnica de paginaci$n bajo demanda. /os sistemas en general brindan un esquema de segmentaci$n, en donde los segmentos est%n divididos en p%ginas. -n la paginaci$n bajo demanda los procesos residen en un dispositivo de disco y son puestos en memoria principal cuando es necesario cargarlos para ejecutar. /a carga del proceso en memoria no es total, sino que implementa un cargador 9perezoso9 Blazy swa!!er ), que cargar% las p%ginas seg*n se vayan necesitando. A su vez, los sistemas utilizan una memoria denominada s?ap, que permite mantener en el sistema m%s memoria utilizada que la f"sica disponible.


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Utilizar un esquema de este tipo requiere conocimiento de las p%ginas que est%n activas en memoria. Para esto se puede utilizar el valid-invalid it& -n la tabla de p%gina se tienen las p%ginas que est%n cargadas en memoria principal, conteniendo el n*mero de frame y el validDinvalid bit/ Al principio todas las entradas tienen el bit de validez marcado como i. Examen febrero 200: ¿,u- entiende !or !a$inaci*n bao demanda B7emand 'a$in$;" Examen marzo 200+: En un sistema de !a$inaci*n !or demanda5 si el hardware lo !ermite ¿.u- utilidad tiene el bit sucio Bdirty bit;"

A la porci$n de memoria que est% cargada en memoria principal de un proceso se le denomina memoria residente (resident memory ). -l acceso a memoria residente por parte de un proceso es tomado como un acceso normal, pero el acceso a memoria no residente genera un fallo de p%gina ( !a$e fault ). -l fallo de p%gina genera un tra! a nivel de sistema operativo que activa una rutina de atenci$n para cargar la p%gina en memoria principal. &l acceso a la memoria genera la siguiente secuencia de pasos:

@. Jerificar que el proceso referencia una p%gina correcta dentro del espacio de direccionamiento. -l proceso puede generar cualquier direcci$n de memoria dentro de su espacio de direccionamiento, pero no todas son v%lidas ya que e!isten uecos en el espacio virtual que pueden no aber sido asignados. Por ejemplo, un acceso fuera de un arreglo puede generar un acceso a una p%gina virtual que no fue asignada al proceso. -sto genera un  !a$e fault  o se$mentation fault  y el proceso es finalizado. . 1i el acceso fue correcto dentro del espacio virtual, se busca en la tabla de p%gina el frame correspondiente, verificando que el estado del bit de validez.  Examen ulio 2009: ¿,u- es la memoria residente de un !roceso"


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2. 1i el bit de validez est% encendido, se accede al frame correspondiente realizando la traducci$n dando por finalizado el acceso. 4. 1i el bit de validez est% apagado se genera el tra! de fallo de p%gina. Examen abril 200: ¿Cuándo ocurre un fallo de !a$ina"/ Ex!li.ue las acciones del sistema o!erativo frente a un fallo/ es!uesta: En el contexto de un sistema de !a$inaci*n !or demanda5 sucede cuando un !roceso intenta referenciar una !á$ina .ue no se incor!or* a memoria/ El hardware de !a$inaci*n5 al traducir la direcci*n5 observa .ue la entrada corres!ondiente de la tabla tiene indicada esa !á$ina como inválida5 y $enera una tra! !ara el sistema o!erativo Bla instrucci*n .ue hizo la referencia no se com!leta;/ Entonces el sistema F/ determina si la referencia memoria fue válida o inválida B!or eem!lo !or indizar mal un vector; 2/ si fue una referencia válida5 en vez de abortar el !roceso5 localizar en disco la !á$ina buscada / buscar un marco libre a/ si lo hay5 lo selecciona b/ sino5 a!lica al$oritmo de reem!lazo !ara seleccionar un !á$ina a .uitar5 la $uarda en disco y reflea el cambio en tabla de !á$inas/ +/ mover la !á$ina deseada al nuevo marco libre5 reflear cambio en tabla de !á$inas 3/ reeecutar la instrucci*n .ue !rovoc* el fallo Bel !roceso no necesariamente cambio de estado;/

9.2.1

Rutina de atenci ón del fallo de p ág ina:

@. 1e busca un frame libre en memoria principal, sino ay ejecuta un algoritmo de reemplazo (se ver% m%s adelante). . 1e realiza un operaci$n de lectura sobre el disco que guarda la p%gina. /a p%gina se carga en el frame obtenido en el paso anterior. 2. 1e actualiza la tabla de p%gina e informaci$n en las estructuras del P+B del proceso para marcar que la p%gina est% disponible en memoria principal. 4. inalmente, se retoma el control a la instrucci$n que fue interrumpida debido al fallo de p%gina. Examen febrero 200+: Enumere los !asos .ue si$ue la rutina de fallo de !á$ina B!a$eDfault; es!uesta: F/ Encontrar en .ue lu$ar del disco esta la !á$ina .ue fall*/ 2/ Encontrar un marco B!á$ina; libre en memoria !rinci!al: A/ (i existe un marco libre5 entonces !asar al !unto / / (i no existe un marco libre5 entonces usar el al$oritmo de rem!lazo de !á$ina del sistema !ara seleccionar a la v?ctima/ C/ Escribir en disco la !á$ina victima y actualizar la tabla de !a$inaci*n/ / %eer la !á$ina de fallo desde el disco y !onerla en el marco obtenido en el !unto 2/ Actualizar la tabla de !a$inaci*n/ +/ olver al !roceso del usuario/ Examen marzo 200+: Ex!li.ue .u- desventaa !articular tienen los hilos im!lementados a nivel de usuario Bsin so!orte del n8cleo; en un sistema de memoria virtual con !a$inaci*n !or demanda/ Examen febrero 2003/ 7escriba brevemente los !asos !ara el maneo de un fallo de !á$inas Buna vez .ue se determin* .ue este ocurri*; en un modelo de !a$inaci*n !or demanda/ es!uesta: Como ya se determin* .ue ocurri* el fallo de !á$ina5 sabemos .ue no es un acceso inválido5 ni .ue la !á$ina está en memoria/


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FING - UDELAR a/ Encontrar un marco libre/ (i no se encuentra5 utilizar un al$oritmo de r eem!lazo !ara seleccionar un marco5 y moverlo a disco/ BEsto incluye dear el !roceso .ue !rovoc* el fallo en estado blo.ueado5 mientras es!era en la cola del dis!ositivo !rimero5 y lue$o la transferencia;/ b/ 'lanificar una o!eraci*n !ara leer de disco la !á$ina hacia el marco ele$ido/ =isma aclaraci*n .ue en Ba;/ 7urante ambas transferencias eecutan otros !rocesos .ue estaban en la cola de listos c/ Cuando finalice la transferencia B!or una interru!ci*n de fin de E(;5 el sistema modificará la tabla de !á$inas !ara indicar .ue ahora se encuentra en memoria5 y cambiará el estado del !roceso .ue !rovoc* el fallo a listo/ d/ Cuando la C'1 se asi$ne al !roceso5 se reiniciará e n la instrucci*n .ue !rovoc* el fallo/

1i este m'todo es aplicado en forma rigurosa se tendr% un sistema puro de paginaci$n por demanda ( !ure demand !a$in$). -l hardware necesario para la implementaci$n es8 ● ●

#abla de p%gina. -spacio denominado swa! del disco

9.3 Estudio de la performance /a t'cnica de paginaci$n por demanda puede generar un alto impacto en el rendimiento del sistema. Una medida utilizada para ver el efecto que produce es el tiempo de acceso efectivo (effective access time ). 1e define mediante la f$rmula8 EAH T BF D !;  ma S !  H'>

donde H'> es el tiempo de resoluci$n del !a$e fault , ! la probabilidad de que ocurra un fallo de p%gina y ma el tiempo de acceso a memoria. Examen ulio 2009: 7escriba la f*rmula del Hiem!o Efectivo de Acceso BEffective Access Hime R EAH; a memoria/ ¿,u- nos brinda está f*rmula"

-l tiempo de resoluci$n involucra, entre otras cosas, salvar el estado del proceso, solicitud de lectura de la p%gina de disco, ejecuci$n del planificador, atenci$n de rutina de completitud de la operaci$n de -01 de parte del disco, correci$n de tablas necesarias, espera de asignaci$n del procesador y restaurar el estado al proceso. $%&' tomando como !)"? @ < milisegundos y ma @ : milisegundos, tenemos 8ue'

EAH T BF D ! ;  BF00;  !  B2300000; EAH T F00 S 2+UUUU00  !

-l tiempo de acceso efectivo es directamente proporcional a la probabilidad del fallo de p%gina. Si 8ueremos un :B de degradaci*n del sistema'

& F00 S 23000000  ! F0 & 23000000  ! ! _ 05000000+

-sto da @ acceso fallido cada F33333 accesos.


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FING - UDELAR

9.4 Algoritmos de reemplazo -n un sistema cargado, el uso de la memoria principal por parte de los procesos puede agotar el recurso. /a necesidad de traer a memoria principal una p%gina en una memoria principal llena, genera la b*squeda de un frame a reemplazar. -l mal algoritmo de reemplazo genera un impacto significativo de degradaci$n del sistema. -l frame reemplazado (v"ctima) ser% puesto en memoria swa!, y ante un eventual uso en el futuro volver% a memoria principal (a trav's de un !a$e fault ). Examen mazo 200: ¿'ara .u- son 8tiles los al$oritmos de reem!lazo de marcos Bframes;"

a rutina de page fault debe incorporar el reempla!o: ● ●

● ●

9.4.1

-legir la v"ctima mediante un algoritmo de reemplazo -scribir la v"ctima en memoria swa! y ajustar la tabla de p%gina correspondiente (swa! out ). +argar la p%gina en el frame correspondiente. Ajustar la tabla de p%gina del proceso.

FIFO ( First In - First Out)

-l algoritmo reemplaza la p%gina que ace m%s tiempo que est% en memoria principal. -s un algoritmo f%cil de implementar ya que requiere *nicamente de una estructura tipo cola. 1in embargo este algoritmo sufre de la anomal/a de elad68


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G%os fallos de !á$ina se incrementan al asi$nar más framesG Examen ulio 200+: 1n sistema .ue im!lementa memoria virtual con !a$inaci*n utiliza el al$oritmo >4>J !ara la sustituci*n de !á$inas/ 1n !roceso $enera la si$uiente secuencia de referencias a !á$inas de memoria: F2+3+F69U9U63 a/ 7eterminar cuantos fallos de !á$ina se !roducen se$8n se dis!on$a de + * 3 marcos de !á$ina !ara el !roceso/ )ustifi.ue brevemente/ b/ Aumentando a 6 o más el n8mero de marcos/ ¿(e meorar?a la tasa de fallos de !á$ina" )ustifi.ue brevemente/ es!uesta: a/ Con + marcos/ FF fallos/ (e los re!resenta con O< F 2  + 3 3 3 F 6 9  U U U U U 3 K F 2  + + + 3 F 6 9      U K K F 2    + 3 F 6 9 9 9 9 9  K K K F 2 2 2  + 3 F 6 6 6 6 6 9 Con 3 marcos/ U fallos/ (e los re!resenta con O< F 2  + 3 3 3 3 6 9  U U U U U 3 K F 2  + + + 3 3 6 9      U K K F 2    + + 3 6 9 9 9 9 9  K K K F 2 2 2 2  + 3 6 6 6 6 6 9 x x x x F F F F 2  + 3 3 3 3 3 3 b/ En esta secuencia hay U !á$inas distintas5 lue$o como m?nimo se tiene .ue !roducir U fallos de !á$ina/ Con 3 marcos se !roducen U5 lue$o si mantenemos el n8mero de marcos no se va a reducir el n8mero de fallos de !á$ina/ Examen marzo 200+: 7ado el al$oritmo de reem!lazo de !á$inas >4>J5 di$a .u- sucede al incrementarse el n8mero de marcos asi$nados/

9.4.1.1

Anomal ía de Belady para FIFO

"ara la siguiente secuencia de acceso a pCgina'

@, , 2, 4, @, , F, @, , 2, 4, F -n 2 frames se tienen T fallos de p%gina. -n 4 frames se tienen @3 fallos de p%gina.


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FING - UDELAR 9.4.2

Segunda chance (Second chance)

-n el algoritmo 7G una p%gina es reemplazada sin tener en cuenta las referencias que tuvo. Una alternativa es que cada p%gina tenga una marca si fue referenciada (bit de referencia) luego de ser cargada en memoria. -n el momento de reemplazo, se verifica el bit de referencias. 1i est% prendido, a la p%gina se le da una segunda cance y es puesta al final de la cola. /uego se contin*a con la siguiente p%gina que est% al principio de la cola. 1i est% apagado, es seleccionada para ser reemplazada. -s un algoritmo un poco ineficiente, pero mejora la reducci$n de cantidad de fallos de p%gina con respecto a 7G. Examen febrero 2009: En un sistema con memoria virtual5 describa el al$oritmo de reem!lazo de se$unda chance B(econdDchance al$orithm;/ es!uesta: El al$oritmo de se$unda chance conserva una cola circular con los frames se$8n el orden de car$a/ Cada vez .ue se car$a un frame se lo !one al final de la cola y se marca el bit de referencia en 0/ A su vez5 cada vez .ue el frame es accedido se marca el bit de referencia en F/ 'osteriormente5 al eecutarse el al$oritmo de reem!lazo5 se hace una recorrida desde el comienzo de la cola buscando el frame a reem!lazar/ 'ara cada frame se tienen dos !osibilidades: F; (i el frame tiene el bit de referencia en F5 entonces se le da una se$unda o!ortunidad movi-ndolo hacia el final de la cola y marcando su bit de referencia en 0/ 2; (i el frame tiene el bit de referencia en 05 es el ele$ido !ara ser reem!lazado y el al$oritmo finaliza/

9.4.3 Ó ptimo (Optimal Page Replacement)

Un algoritmo que no sufre de la anomal"a de Belady es el algoritmo $ptimo. -n este se reemplaza la p%gina que no va a ser usada por el mayor per"odo de tiempo. -ste algoritmo es el que genera menos fallos de p%gina de todos los posibles, pero es imposible de implementar ya que es necesario saber a qu' p%ginas acceder% un proceso. Examen mazo 200: 7escriba el al$oritmo de reem!lazo *!timo BJ!timal 'a$e e!lacement;/ =uestre sus beneficios y sus limitaciones/

9.4.4

No recientemente usada (Not Recently Used - NRU)

A los frames se le asocia dos bits8 uno de referencia y otro de modificaci$n. -l bit de referencia se actualiza cada vez que se realiza una operaci$n sobre el mismo (lectura o escritura), mientras que el bit de modificaci$n se prende cada vez que escribe. +ada tanto se genera una interrupci$n de reloj que limpia el bit de referencia. Al ocurrir un fallo de p%gina los frames se dividen en 4 clases8 $lase $lase $lase $lase

F8 no referenciada, no modificada. : no referenciada, modificada. G8 referenciada, no modificada. 88 referenciada, modificada.

1e reemplaza un frame al azar de la clase m%s baja que no est' vac"a. -s un algoritmo sencillo de implementar y para ser eficiente deber% tener soporte de hardware ya que en cada referencia a memoria se deben actualizar los bits (de referencia y de modificaci$n).


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FING - UDELAR 9.4.5 Recientemente menos usada (Least Recently Used - LRU)

Uno de los algoritmos que m%s se apro!ima al $ptimo es el /;U. A cada p%gina se le asocia el tiempo en que fue referenciada. /a p%gina elegida por el algoritmo de reemplazo ser% la que fue accedida ace m%s tiempo. -s un algoritmo que es $ptimo en cuanto al uso acia atr%s de las p%ginas y es bastante utilizado por los sistemas operativos actuales. Para la implementaci$n de este algoritmo es necesario soporte a nivel de hardware . Examen abril 200: 7escriba brevemente los si$uientes al$oritmos de reem!lazo de !a$inas en el contexto de memoria virtual !a$inada: >4>J5 %15 (e$undaDJ!ortunidad y el Oal$oritmo o!timo4>J Asocia Ben forma ex!l?cita o no; a cada !á$ina el instante en .ue se trao a memoria5 eli$iendo la más anti$ua cuando hay .ue hacer un reem!lazo/ Es fácil de im!lementar5 !ero su rendimiento no siem!re es bueno/ 1n eem!lo es cuando se reem!laza una !á$ina tra?da hace mucho tiem!o5 !ero de uso intensivo/ Hambi-n !resenta la anomal?a de elady: con ciertos !atrones de referencias5 la tasa de fallos de !á$ina !uede aumentar al incrementarse el n8mero de marcos asi$nados5 en contra de lo es!erado/ J'H4=J usca reem!lazar la !á$ina .ue no se usará durante el mayor !er?odo de tie m!o5 $arantizando la menor tasa de fallas de !á$inas !osible5 !ara un n8mero fio de marcos/ Es dif?cil de im!lementar5 !ues se re.uiere un conocimiento futuro de las referencias a !á$inas/ (e utiliza Bmás !recisamente sus resultados es!erados; !ara estudios com!arativos con otros al$oritmos no *!timos/ %1 eem!laza la !á$ina .ue no se ha usado durante el mayor !eriodo de tiem!o5 basándose en el !asado reciente !ara su!oner cuál será la !á$ina .ue no se usuará en el futuro cercano/ Es utilizado con frecuencia5 y existen 2 im!lementaciones: a/ Con un contador5 .ue es incrementado con cada referencia a al$una !á$ina de memoria/ cada vez .ue se referencia una !á$ina en !articular5 el contador se co!ia a un re$istro asociado a la misma/  7ebe tratarse el desbordamiento del contador/  Este es.uema re.uiere una b8s.ueda en toda la tabla de !á$inas5 a fin de encontrar la .ue tiene el menor valor/  Jbservar .ue re.uiere a!oyo de hardware/ b/ =antener una lista doblemente encadenada5 extrayendo la !á$ina más recientemente utilizada/ %1 no !resenta la anomal?a de elady/ B'ertenece a una clase llamada al$oritmos de !ila: las !á$inas residentes en memoria !ara un sistema con @ marcos son siem!re un subconunto de las .ue habr?a con @ S F; (EI1@7A J'JH1@47A7 Es una variante del al$oritmo >4>J5 .ue evita .ue una !á$ina muy utilizada sea eliminada !or llevar mucho tiem!o en memoria/ (e mantiene un bit !or !á$ina5 .ue es seteado en F con cada referencia5 y actualizado !or el sistema a intervalos re$ulares/ (e recorre la lista de !á$inas examinando estos bits de referencia/ (i el bit de una !á$ina está en F se le da una se$unda o!ortunidad5 !oni-ndolo en 0 y enviándolo al final de la lista Bcomo si reci-n hubiera lle$ado a memoria;/ %a b8s.ueda termina cuando se encuentra el !rimer bit en 05 en cuyo caso se reem!laza la !á$ina/ Examen febrero 200+: a; 7escriba los al$oritmos de reem!lazo: i/ >4>J ii/ *!timo iii/ %1 b; b; 'ara cada uno de ellos muestre la secuencia de reem!lazo !ara los si$uientes !edidos de !á$ina: 95 05 F5 25 05 5 05 +5 25 5 05 5 25 F5 25 05 F5 95 05 F


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FING - UDELAR Asumiendo .ue el tamaMo de la memoria !rinci!al es de  !á$inas/ es!uesta: a; >4>J D (e reem!laza la !á$ina .ue hace más tiem!o esta car$ada en memoria !rinci!al/ *!timo D eem!lazar la !á$ina .ue no será usada !or el mayor !er?odo de tiem!o/ 'ara este al$oritmo es necesario tener informaci*n de los !edidos de !á$ina futuros/ %1 D eem!lazar la !á$ina .ue hace más tiem!o .ue no es accedida/ B%east recently used; b; En todos los casos las !rimeras tres !á$inas entran a la memoria sin reem!lazos/ %os reem!lazos se muestran en notaci*n B!á$ina ori$inal5 reem!lazo;/ >4>J: B952; B05; BF50; B25+; B52; B05; B+50; B25F; B52; B059; BF50; B25F; *!timo: B952; BF5; B05+; B+50; B5F; B259; %1: B952; BF5; B25+; B52; B05; B+50; B05F; B50; B259; Examen febrero 2003: 7escriba brevemente los al$oritmos de reem!lazo de !á$ina si$uientes: >4>J5 *!timo y %1/ es!uesta: >4>J B>irst 4n >irst Jut;: 'ara reem!lazar una !á$ina5 se el i$e la .ue estuvo en memoria más tiem!o/ Es fácil de !ro$ramar5 !ero no siem!re es bueno !ues no toma en cuenta el uso .ue se le está dando a la !á$ina seleccionada/ 'odr?a haber una !á$ina .ue se car$* hace mucho y tiene un uso frecuente5 y otra car$ada hace menos tiem!o !ero .ue se us* s*lo esa vez/ >4>J ele $irá la !rimera y no la se$unda/ *!timo: Hiene la menor tasa de fallos de !á$ina !ues reem!laza la !á$ina .ue no se utilizará durante el mayor !er?odo de tiem!o/ Es d?ficil de i m!lementar sin un conocimiento futuro de la serie de referencias/ %1 B%east ecently 1sed;: em!laza la !á$ina .ue no se ha utlizado en más tiem!o5 su!oniendo el !asado reciente como una a!roximaci*n de las !r*ximas referencias/ e.uiere ayuda de hardware/ Examen ulio 2009: 7escriba el al$oritmo de reem!lazo %1/ Examen a$osto FUU3: 'ara un sistema de memoria virtual5 comentar a.uellas t-cnicas de reem!lazo .ue considere meor y ustificar la elecci*n/

9.5 Estrategia de asignaci ón de frames /a multiprogramaci$n permite la ejecuci$n concurrente de varios procesos. /os procesos realizar%n sus pedidos de memoria y el sistema operativo tratar% de resolver las solicitudes de forma de lograr un uso adecuado del recurso. 1i el sistema operativo no implementa una estrategia de asignaci$n de memoria, un proceso que requiera muca memoria puede dejar al sistema colapsado. -s por eso necesario definir una estrategia de asignaci$n adecuada para todos los procesos que comparten los recursos. Una estrategia podr"a dividir la cantidad de frames seg*n la cantidad de procesos que e!istan en el sistema. -sta estrategia no es muy eficiente ya que los procesos no tienen la misma necesidad de este recurso. Una opci$n es ponderar la cantidad de frames asignados seg*n el uso de memoria que tengan. 1ea si la cantidad de memoria virtual del proceso !i /a memoria virtual de todo el sistema es8 ( T ( si

1i la cantidad de frames del sistema es m, definimos una estrategia de asignaci$n ponderada donde al proceso !i se le asignan f i frames: f i T Bsi  (;  m


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FING - UDELAR

-n la ejecuci$n de un algoritmo de reemplazo e!isten dos opciones de p%ginas a reemplazar8 ●

eempla!o 9lobal (9lobal eplacement)8 un proceso puede

●

Asignaci-n ocal (ocal emplacement)8 Un proceso reemplaza

reemplazar un frame utilizado por otro.

*nicamente los frames que tienen asignado.

A diferencia del global, en el reemplazo local la cantidad de frames asignado a un proceso no var"a. Un problema de la estrategia global es que los fallos de p%gina de un proceso afectan la eficiencia de ejecuci$n de otro. /a estrategia local independiza los fallos de p%gina por proceso, pero ocupa frames de memoria que quiz%s sean poco usados y no son reemplazados. -s por eso que el reemplazo global es m%s utilizado. Examen marzo 2009: Com!are la asi$naci*n de frames $lobal vs/ local

9.6 Hiperpaginaci ón /a estrategia de asignaci$n de frames limita a los procesos en la cantidad de frames que pueden tener en memoria. 1i un proceso tiene un uso activo de un mayor n*mero de frames que los asignados por el sistema, el proceso tendr% un alto porcentaje de !a$e fault/ -l proceso estar% continuamente realizando !a$e fault debido a que sus frames est%n activos. 1i un proceso pasa m%s tiempo paginando que ejecutando, se dice que el proceso sufre de iperpaginaci$n (Hrashin$ ). /a iperpaginaci$n degrada significativamente la performance. 9.6.1

Causas de la hiperpaginaci ón

/a multiprogramaci$n genera un mayor uso del procesador, pero puede llevar al sistema a un estado de degradaci$n por la iperpaginaci$n.

Examen febrero 2003: Ex!li.ue brevemente !or.u- se !roduce hi!er!a$inaci*n Bno la defina5 eem!larice;/ es!uesta: (e !roduce cuando un !roceso tiene más !á$inas activas .ue marcos asi$nados5 lo .ue hace .ue !ase más tiem!o !a$inando .ue eecutando/ @ota: @o es válido definirlo como Oexceso de !a$inaci*n

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FING - UDELAR 9.6.2

El modelo Working-Set

-s necesario atacar el potencial problema de la iperpaginaci$n. Denning (@TW3) propuso el modelo del Wor#in$D(et (conjunto de trabajo), que se basa en el principio de localidad8 GA medida .ue un !roceso eecuta va utilizando un conunto de !á$inas llamadas activasG . -l conjunto de p%ginas activas va cambiando a medida que ejecuta el proceso. 1e define un conjunto de p%ginas ( A), que son las m%s recientemente referenciadas. -ste conjunto de p%ginas se denomina wor#in$Dset . Examen febrero 200: (e analiza un sistema de !a$inaci*n !or demanda y se observa .ue5 con cierta car$a de trabao5 de la C'1 se em!lea un F3 y el disco de intercambio Bswa!; está ocu!ado un U2 del tiem!o/ ¿,u- acci*n tomar?a !ara aumentar el rendimiento del sistema !ara esta misma car$a de trabao" es!uesta: %a situaci*n descri!ta se austa a la de sobrecar$a del sistema de memoria virtual o OHhrashin$<5 resultado de .ue la suma de los OWor#in$ (et< de los !rocesos activos es sensiblemente mayor .ue la memoria real/ %a 8nica acci*n !osible sin variar la car$a de trabao es a$re$ar más memoria real/ Examen febrero 2006: 7escriba el modelo de Wor#in$Dset/ =encione los conce!tos en .ue se basa5 las !ro!iedades .ue cum!le y el fin .ue !ersi$ue / es!uesta: El modelo de wor#in$Dset es una estrate$ia .ue !ermite defenderse ante el !roblema de hi!er!a$inaci*n Btrashin$;/ (e basa en el !rinci!io de localidad: 1n !roceso al eecutar utiliza un conunto limitado de !á$inas a la vez/ A este conunto de !á$inas se les denomina !á$inas activas/ Al tamaMo del conunto se le denomina ventana/ El modelo utiliza un !arámetro BA; .ue define el tamaMo de la ventana del wor#in$Dset/ (i una !á$ina está siendo usada en el momento5 entonces !ertenece al wor#in$Dset/ Cuando una !á$ina hace un tiem!o5 mayor .ue la ventana definida5 no es accedida dea de !ertenecer del wor#in$D set/ %a efectividad del modelo se lo$ra con una buena selecci*n del !arámetro A / %a !ro!iedad más im!ortante del wor#in$Dset es el tamaMo de la ventana !ara cada !roceso/ %a !ro!iedad .ue se debe cum!lir es .ue la suma del tamaMo de todas las ventanas del sistema debe ser a lo sumo i$ual a la cantidad de !á$inas dis!onibles en el sistema/ Examen mazo 200: ¿'ara .u- es 8til el modelo del Wor#in$D(et" 7escriba el modelo del Wor#in$D(et

1i el conjunto A es muy peque5o, no se lograr% representar bien la localidad, y, si es muy grande, se tendr% una localidad muy grande. 1ea W((i la cantidad de frames que est%n en el wor#in$Dset del proceso i/ 1e define8 7 T ( W((

i

7 es la cantidad total de frames demandada por los procesos del sistema. 1i 7 es mayor que la cantidad de frames disponibles en el sistema, se tendr% iperpaginaci$n.


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FING - UDELAR

+uando ocurre una interrupci$n del timer , se verifican todas las p%ginas del sistema para armar los wor#in$Dset de los procesos. -n la interrupci$n se verifica el bit de uso 1i est% prendido, entonces el frame pertenece al wor#in$Dset del proceso, se actualiza el campo de tiempo de uso con la ora actual del sistema y se apaga el bit para la verificaci$n en la pr$!ima interrupci$n. 1i est% apagado, se verifica el campo de tiempo de uso con la ora actual del sistema. 1i este tiempo es mayor que el t del proceso, entonces el frame no pertenece al wor#in$Dset del proceso. Examen marzo 2003 : ¿,u- estrate$ia evita la hi!er!a$inaci*n multi!ro$ramaci*n lo más alto !osible" Examen febrero 200: En un sistema .ue cuenta con el es.uema de memoria virtual con !a$inaci*n5 ¿c*mo se ase$ura .ue no se acceda a la memoria de otro !roceso" res!uesta no encontrada en las trans!arencias/ es!uesta sacada del J!eratin$ (ystem Conce!ts 9th Edition: We chec# an internal table Busually #e!t with the !rocess control bloc#; for this !rocess to determine whether the reference was a valid or an invalid memory access/


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10 Sistema de Archivos 10.1 Archivos /os dispositivos masivos (discos duros, cintas, etc.) permiten guardar informaci$n de forma no vol%til. -l sistema operativo se abstrae de las propiedades f"sicas de los dispositivos para definir una unidad l$gica de almacenamiento8 el arc*i%o. /os arcivos son 9mapeados9 por el sistema a los distintos dipositivos. Un arcivo es una agrupaci$n de informaci$n que se guarda en alg*n dispositivo no vol%til. &esde la perspectiva del usuario, es la unidad m"nima de almacenamiento que el sistema le provee. /os arcivos poseen atributos8 ●

●

● ● ● ●

●

#ombre8 un nombre simb$lico que permite identificar el arcivo a los

usuarios. Pueden e!istir m%s de un arcivo con el mismo nombre en un sistema de arcivos jer%rquico (directorios). Identiicador8 s"mbolo que lo identifica de forma *nica a nivel global del sistema de arcivos. Usualmente es un n*mero. +ipo8 programa ejecutable, arcivo de datos, etc. "bicaci-n8 puntero al dispositivo y lugar donde reside el arcivo. #ama5o8 el tama5o del proceso (en bytes, palabras o bloques) Protecci-n8 informaci$n de control para el acceso al arcivo. -j.8 usuarios que pueden acceder, en qu' forma, etc. Inormaci-n de conteo8 feca de creaci$n, *ltimo acceso, etc.

Examen diciembre 200: ¿,u- es un archivo"5 ¿g un sistema de archivos" Enumere al menos cinco atributos .ue deban conservarse !ara describir un archivo/

10.2 Operaciones sobre los archivos &l sistema operati%o brinda ser%icios para la manipulaci-n de arc*i%os: ●

●

● ●

● ●

$rear 6 abrir8 provee la creaci$n de un arcivo en el sistema de

arcivos. 1e debe proveer un nombre del nuevo arcivo. Adem%s, se provee la apertura de un arcivo ya e!istente para acceder o modificar la informaci$n. &scribir8 poder escribir informaci$n en un arcivo previamente abierto. eer: poder leer informaci$n en un arcivo previamente abierto. eposicionar dentro de un arc*i%o: lograr acceder a cualquier parte del arcivo. &liminar8 destruir el arcivo a nivel del sistema de arcivo. +runcar8 eliminar la informaci$n que est% dentro del arcivo, pero sin eliminar el arcivo.

Por lo general, los sistemas tienen una tabla de arcivos abierto por proceso. -stos arcivos se abren a trav's de un llamado al sistema y, de esa forma, se puede


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FING - UDELAR

operar con ellos (leer, escribir, etc.). inalmente, el arcivo es cerrado antes que finalice la ejecuci$n del proceso. #ener un arcivo abierto para el sistema implica mantener una estructura que tenga por lo menos8 puntero de arcivo (file !ointer ) para operaciones de lectura y escritura, contador de arcivos abiertos, ubicaci$n del arcivo en el dispositivo, derecos de acceso. Algunos sistemas proveen sistema de acceso *nico a un arcivo (loc# ) por parte de los procesos. A su vez, varios sistemas implementan el mapeo de arcivos al espacio de usuario del proceso. &e esta forma, no es necesario realizar read y write para operar sobre el arcivo, sino accederlo directamente. -sto trae el beneficio de no acer el llamado a sistema para operar sobre el arcivo. 10.3 Métodos de acceso Examen marzo 2006: 7escriba dos m-todos de acceso a un archivo/ Examen marzo 2009: 7escriba dos m-todos de acceso a un archivo/ Examen ulio 2009: 7escriba dos m-todos de acceso a un archivo del sistema/

-!isten varios m'todos de acceso a los arcivos8 ● Secuencial8 la informaci$n es accedida en orden, registro a registro. -l registro depende del tipo de arcivo (te!to plano ser"a byte). /as operaciones de lectura acceder%n a la informaci$n en forma secuencial incrementando el puntero de arcivo file !ointer . -l acceso secuencial se basa en el model de cinta (ta!e), en donde los arcivos son accedidos de a uno por vez y en forma secuencial. Directo: la informaci$n es accedida en cualquier orden. Do e!isten ● restricciones sobre el orden de escritura y lectura en un arcivo. 1e basa en el modelo de disco de un arcivo, que est% estructurado en bloques.

10.4 Directorios -l sistema de arcivos es estructura por lo general en directorios que contienen arcivos. /os directorios permiten a los usuarios del sistema tener una organizaci$n l$gica del sistema de arcivo.


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FING - UDELAR

10.4.1 Operaciones sobre directorios ;s5ueda8 es necesario poder buscar un arcivo en un directorio. ● ●

● ● ●

●

+rear un arcivo8 arcivos nuevos deben ser creados e incorporados al directorio. &liminar8 borrar un arcivo del directorio. istar8 visualizar los arcivos que est%n en un directorio. enombrar un arc*i%o8 cambiar el nombre de un arcivo dentro del directorio. Permitir la na%egaci-n8 lograr acceder a todos los directorios de sistema de arcivos.

10.4.2 Estructura de directorios

10.4.2.1 Nivel ú nico

-l esquema m%s sencillo es tener un *nico nivel de directorios en el sistema de arcivos.

A medida que el sistema crece trae limitaciones. Por ejemplo, no permite arcivos con el mismo nombre en un mismo directorio. 10.4.2.2 Árbol

-s ideal permitir varios niveles de directorios. -sto se logra permitiendo tener arcivos de tipo directorio dentro de los directorios.


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FING - UDELAR

1e genera una estructura jer%rquica de directorios en forma de %rbol. 1e denomina ruta ( !ath) absoluta de un arcivo, al camino desde la ra"z asta el arcivo. 10.4.3

Grafo

Para potenciar la estructura anterior de %rbol ser"a deseable tener caminos de acceso directo a otros directorios.

-stos caminos se logran a trav's de arcivos de tipo enlace simb$licos Bsoft lin#s). A su vez, se permite que un arcivo est' en m%s de un directorio (hard lin#;. 10.4.4 Montaje de directorios

&ada la estructura de grafo, los sistemas de arcivos se pueden solapar en un *nico sistema de arcivos.


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10.5 Seguridad en archivos &ebido a que el sistema es multiusuario es necesario proteger la informaci$n de cada usuario. -n mucos casos los usuarios se agrupan seg*n el uso que tienen sobre un sistema. 1e definen permisos sobre los arcivos tanto a nivel de usuario como de grupo. /os permisos mZ comunes son de escritura, lectura, ejecuci$n, elminaci$n, listado. 10.6 Implementación -l dise5o de un sistema de arcivos enfrenta dos problemas8 +$mo se ver% para el usuario. 7mplica definir los atributos, las operaciones v%lidas sobre los arcivos y la estructura de directorios para la organizaci$n de los arcivos. /a creaci$n de algoritmos y estructuras de datos para acer corresponder el sistema de arcivos l$gico con los dispositivos f"sicos de datos. -l sistema de arcivos est% compuesto de varias capas. +ada una de las cuales utiliza la funcionalidad de la capa inferior. /os dispositivos f"sicos (discos) contienen la siguiente estructura8 Bloque de control para el boot (boot control bloc# )8 es necesario para lograr inciar el sistema operativo. Bloque de control de partici$n ( !artition control bloc# )8 contiene la informaci$n de las particiones que e!isten en el disco, bloques utilizados y libres, cantidad de arcivos, etc. -structura de directorios8 para la organizaci$n de los arcivos. Bloque de control del arcivo (>ile Control loc# )8 los bloques de control de los arcivos que est%n en el sistema de arcivos. -l sistema operativo en memoria mantiene las siguientes estructuras8 /a tabla de partici$n con los sistemas de arcivos cargados. ●


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FING - UDELAR ● ● ●

/a estructura de directorio de los accedidos *ltimamente. #abla de descriptores de arcivos abiertos a nivel global del sistema. #abla de descriptores de arcivos abiertos por proceso del sistema.

Por cada arcivo en el sistema se tendr% un bloque de control (>ile Control loc# ). -l bloque de control contiene varios atributos de conteo, permisos y d$nde est%n los datos del mismo8 Permisos del arcivo. ● ecas (creaci$n, acceso, modificaci$n). ● Propietario, grupo propietario, lista de acceso (access control list 6 ● A+/). ● #ama5o del arcivo. Bloques de datos del arcivo. ● Examen diciembre 200+: 7efina brevemente .ue es la AC% BAccess Control %ist;/ es!uesta: 1na lista de control de acceso BAC%; es una li sta de entradas asociadas a un archivo o car!eta .ue es!ecifica .u- usuarios y $ru!os tienen acceso a esa car!eta o archivo/ Cada entrada de una AC% asi$na a un usuario o $ru!o uno o varios ti!os de niveles de acceso al obeto en cuesti*n/ Estos !ueden ser los básicos de lectura5 escritura5 eecuci*n5 o tambi-n cambio de !ermisos5 borrar y otros ti!os de !ermisos .ue !ueda im!lementar el sistema o!erativo =ediante las AC%s es !osible im!lementar un mecanismo de acceso discrecional .ue es!ecifica !ermisos en una manera mas selectiva .ue lo .ue !ermiten5 !or eem!lo5 los mecanismos tradicionales de 1nix/

10.6.1 Sistema de archivos virtual

-s com*n que un sistema operativo acceda a m%s de una implementaci$n de sistema de arcivos (ufs5 ext25 ext5 fs5 fs25 ntfs , etc.). 1e utilizan t'cnicas de orientaci$n a objetos para lograr mantener una estructura independiente del sistema de arcivos que se utilice. 1e genera una estructura en tres capas8 ● ● ●

7nterfaz del sistema de arcivo (o!en5 read5 etc.). 1istema de arcivos virtual (Jirtual >ile (erver ). 7mplementaci$n espec"fica del sistema de arcivos.

-l sistema de arcivos virtual provee de dos funcionalidades importantes8 Propone una interfaz gen'rica de sistema de arcivo que es independiente del tipo de sistema de arcivo. &e esta forma, se logra un acceso transparente al sistema de arcivos. Propone un bloque de control de arcivo virtual que puede representar tanto arcivos locales como remotos. Examen marzo 200+: ¿,u- inconveniente tienen los sistemas .ue a!oyan distintos ti!os de archivos en forma nativa"

10.6.2 Estructura de los directorios

/os directorios contienen la informaci$n de los arcivos que pertenecen a 'l. Para organizar la informaci$n e!isten varias opciones8 Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

115

FING - UDELAR

●

●

10.6.3

ista encadenada8 los nombres de los arcivos y un puntero al

bloque de control son dispuestos en una lista encadenada. -n la b*squeda, inserci$n y borrado es necesario un acceso lineal. -s usual el uso de caches en memoria principal para acelerar el acceso. +abla de *as* abierto: con el nombre del arcivo se genera la clave utilizada.

Mé todos de asignaci ón

Para la disposici$n de los datos de los arcivos en disco se tienen, en general, tres m'todos8 Asignaci-n contigua (6ontiguos Allocation )8 los datos se ● disponene en forma contigua. Para mantener la informaci$n es necesario saber en qu' bloque comienza y la cantidad de bloques que tiene el arcivo. Asignaci-n en orma de lista (0inked Allocation): los bloques de ● datos forman una lista encadenada. -s necesario una referencia al primer y *ltimo bloque de datos en el bloque de control de arcivo. Asignaci-n inde7ada (Indeed Allocation )8 1e mantiene una tabla ● en donde cada entrada referencia a un bloque de datos. 10.6.3.1 Asignaci ón contigua (Contiguos Allocation)

1ufre de fragmentaci$n e!terna. -s necesario reubicar constantemente los arcivos si crecen en tama5o. 1e utilizan t'cnicas de asignaci$n de tama5os m%s grandes para prever el crecimiento futuro de los arcivos.

10.6.3.2 Asignaci ón en forma de lista (Linked Allocation)

1oluciona el problema de la fragementaci$n. -l acceso a los bloques es lineal. /os punteros ocupan espacio en los bloques. /a p'rdida de una referencia genera la p'rdida de gran parte de informaci$n del arcivo.

10.6.3.2.1

Ej. FAT

Al comienzo de cada partici$n e!iste una tabla de asignaci$n de arcivos (>ile Allocation Hable), que contiene la lista de bloques. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

116

FING - UDELAR

/a tabla tiene una entrada por cada bloque de disco, y es inde!ada por el n*mero de bloque.

10.6.3.3

Asignaci ón indexada (Indexed Allocation)

/os bloques son accedidos directamente a trav's del bloque de inde!aci$n (index bloc#;. -l bloque de inde!aci$n ocupa lugar. 1e trata de que sea lo m%s peque5o posible, pero limita la cantidad de bloques. Una posible opci$n es inde!aci$n en varios niveles. Algunos "ndices acen referencia a bloques directos y otros a bloques de inde!aci$n. -n UD7O los bloques de control de arcivos tienen bloques de inde!aci$n directa, de uno, dos y asta tres niveles de inde!aci$n. -sto permite representar arcivos muy grandes.


117

FING - UDELAR 10.6.4 Administraci ón del espacio libre

-n el sistema de arcivos es necesario mantener qu' bloques est%n ocupados y cu%les est%n libres. Gpciones posibles para la administraci$n de los bloques8 ●

●

●

●

ector de its (7it ector, 7it Map): se dispone de un bit para cada

bloque de datos del sistema, que representa si est% ocupado o libre. ista de blo5ues libres (0inked list )8 se mantiene una lista encadenada de los bloques libres a trav's de los bloques. -s necesario una referencia al primer bloque. Agrupaci-n (Erouping)8 es una variaci$n de la lista encadenada. -n cada bloque de la lista se contiene un gruo de bloques libres. $onteo (6ounting)8 se mantiene una lista en donde cada bloque contiene informaci$n de cuantos bloques contiguos, a partir de 'l, est%n libres.

Examen marzo 200: En el contexto de la administraci*n del es!acio libre de disco5 comente .ue ventaas y desventaas tienen los ma!as de bits/ es!uesta: entaa: D resulta sencillo y eficiente encontrar n blo.ues libres consecutivos en el disco5 sobretodo en com!utadoras .ue tienen instrucciones de mani!ulaci*n de bits5 .ue !ueden usarse eficazmente !ara este fin: !or eem!lo una instrucci*n .ue dado un re$istro devuelva la !osici*n del !rimer bit .ue ten$a F/ 7esventaa: D no son eficientes si !ara la mayor?a de los accesos no se conserva todo el ma!a en memoria real/ Esto es r azonable s*lo si el disco no es de $ran tamaMo/ Examen marzo 200+: 'resente brevemente tres alternativas !ara $esti*n de es!acio libre en almacenamiento secundario/ Examen diciembre 200+: 7escriba  Btres; m-todos utilizados !ara tener cuenta .ue blo.ues de discos están libres/ es!uesta: it ector: (e mantiene una arre$lo de bits .ue indican si el blo.ue está siendo usado o no/ %ista encadenada: (e mantiene una lista entre los blo.ues libres/ Existe una referencia al !rimer blo.ue libre5 el cual a!unta al si$uiente blo.ue libre5 y asi hasta el 8ltimo .ue a!unta a un blo.ue inválido/ %ista encadenada a$ru!ada: 4$ual .ue la anterior5 !ero se mantiene un conunto de blo.ues libres !or blo.ue y el !untero al si$uiente/ Hambi-n es necesario la referencia al !rimer blo.ue libre/ Conteo: (e mantiene una lista con referencias a blo.ues conti$uos libres/ Cada entrada de la lista a!unta a un blo.ue libre y tiene un contador .ue indica cuántos blo.ues más libres conti$uos existen/ Examen febrero 2006: 7escriba dos im!lementaciones !osibles !ara saber el es!acio libre en disco/ Com!árelos mencionando sus ventaas y desventaas entre ellos/ es!uesta: =a!a de bits: Es un arre$lo de bits en donde cada entrada se ma!ea a un blo.ue del sistema de archivo/ (i el blo.ue está libre5 el bit está indicado con un FZ si el blo.ue está asi$nado5 el bits indica 0 B!uede ser al rev-s;/ %ista encadenada: %os blo.ues libres están en una lista encadenada/ Existe un !untero al !rimer blo.ue libre y cada blo.ue libre tiene una referencia al si$uiente blo.ue/ A$ru!amiento: Es i$ual .ue la lista encadenada5 !ero además de tener el !untero al si$uiente Bdado .ue sobra mucho es!acio; se tiene un $ru!o de blo.ues libres/


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FING - UDELAR Contador: Al i$ual .ue los dos 8ltimos se tiene una lista encadenada de blo.ues libres/ 'ero como a veces se tienen varios blo.ues libres .ue están conti$uos5 se hace un a$ru!amiento en el !rimer blo.ue libre de los conti$uos a$re$ando un contador .ue informa cuantos blo.ues libres conti$uos ah?/ Examen febrero 200: 7escriba dos t-cnicas utilizadas !ara administrar el es!acio libre Bblo.ues libres; .ue hay en los discos/

10.6.4.1 Ejemplo UNIX

+ada partici$n contiene un bloque descriptor del sistema de arcivo llamado su!erDbloc#/ -l su!erDbloc# contiene8 Dombre del volumen ● +antidad m%!ima de arcivos (inodos). ● +antidad de arcivos utilizados y libres. ● +antidad de bloques de datos, cantidad de bloques utilizados y libres. ● ;eferencia a comienzo de bloques de datos, de inde!aci$n y de vector ● de bits. 7nformaci$n de conteo. ● -tc. ● /a administraci$n del espacio libre se realiza a trav's de mapa de bits (bit vector ). 1e disponen varios bloques al comienzo de la partici$n. -l bloque de control de arcivo es a la estructura inode. /os inodos son identificados por un n*mero, que es *nico a nivel del sistema de arcivos. /os inodos poseen un tipo8 arcivo com*n, directorio, enlace simb$lico, pipes, socNets. Utiliza un m'todo de asignaci$n por inde!aci$n. /os directorios son representados como un arcivo (inodo), en donde los datos son entradas que tienen los nombres de los arcivos y el n*mero de inodo correspondiente. 1i es un soft lin# , se tiene la ruta ( !ath) del arcivo al cual referencia. /os hard lin#s son tratados en forma natural, ya que la pertenencia de un arcivo a un directorio est% en los datos del directorio y se referencia al n*mero de inodo. Examen diciembre 200: ¿,u- es un iDnodo" Examen marzo 2003: Con la estructura 4nodo utilizada en sistemas de archivos ti!o 1@4K ¿,u- ti!os de archivos se !ueden re!resentar" a/ Archivo Bde texto5 eecutables5 datos5 etc;/ b/ 7irectorios/ c/ Archivos y directorios/ d/ Archivos5 directorios y enlaces d-biles Bsoft lin#;/ e/ Archivos5 directorios5 enlaces d-biles y fuertes Bhard lin#;/ Es!ecifi.ue la meor o!ci*n y ustifi.ue brevemente/ es!uesta: d/ %os enlaces fuertes son referencias a nivel de la estructura de nombrado del sistema de archivos y no a nivel de 4nodo/ Examen marzo 2003: =encione los atributos más im!ortantes de un inodo/ es!uesta: a/ 'unteros a los blo.ues de datos directos e indirectos/ b/ HamaMo del 4nodo/


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FING - UDELAR Examen ulio 2003: En el diseMo de un sistema de archivos ti!o 1nix5 ¿ud/ 'ondr?a el nombre de archivo dentro del iD nodo" )ustifi.ue/ es!uesta: @o5 en unix los inodos contienen un n8mero 8nico .ue identifica el archivo/ El nombre se manea en la estructura del sistema de archivos de manera de !oder referenciar al mismo archivo con distinto nombre/


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FING - UDELAR

11 Estructura de dispositivos dispositivos masivos masivos de de datos 11.1 Planificaci ón de disco -l sistema operativo es responsable de usar el hardware de forma eficiente. &esde la perspectiva del disco, esto significa obtener un r%pido acceso a los datos y aprovecar al m%!imo el anco de banda al disco. -s por eso que el planificador de disco es uno de los m%s importantes. -l acceso a disco tiene dos grandes componentes8 ●

●

+iempo de posicionamiento (seek time2: es el tiempo que el brazo

del disco necesita para posicionar la cabeza en el cilindro que contiene el sector. atencia de rotaci-n (rotational latency )8 es el tiempo que demora rotar el plato al sector correcto.

-l anco de banda (bandwidth) de un disco es la cantidad de bytes transferidos, dividido por tiempo total de la transferencia (desde el comienzo del pedido asta la *ltima transferencia). Para mejorar el acceso a los datos se debe minimizar el tiempo de b*squeda. &e esa forma, surgen varios m'todos de planificaci$n de disco8 ● ● ● ● ● ●

+1. 11#. 1+AD. +61+AD. /GGE. +6/GGE.

11.1.1 FCFS - First-Come, First-Served

-n este caso la planificaci$n es realizar los pedidos como vayan llegando. -n un disco con 33 cilindros (numerados del 3 al @TT), la cabeza posicionada en el cilindro F2 y una lista de pedidos8 T=, @=2, 2W, @, @4, @4, >F, >W Kenera un movimiento de la cabeza sobre >43 cilindros.


121

FING - UDELAR

11.1.2 SSTF - Shortest Seek Time First

1e elige como pr$!imo pedido a realizar el que genere menos tiempo de b*squeda (see# time). -sto puede generar que pedidos nunca sean ejecutados o demorados por muco tiempo. Para el ejemplo anterior tenemos que la cabeza recorrer% un total de 2> cilindros.

11.1.3

SCAN

-l brazo posiciona la cabeza al comienzo del disco y la mueve acia el otro e!tremo, resolviendo los pedidos mientras pasa por los cilindros. Al llegar al final, ace el camino inverso resolviendo las solicitudes. -s tambi'n llamado el algoritmo del elevador. -n este caso se recorre un total de 3= cilindros.

Examen marzo 2003: 7escriba el al$oritmo (CA@/


122

FING - UDELAR 11.1.4

C-SCAN

-s igual que el 1+AD, pero al llegar al final del disco en la recorrida, vuelve al principio inmediatamente sin resolver ning*n pedido.

11.1.5

C-LOOK

-s parecido al +61+AD, pero el brazo va asta donde aya pedidos y retorna acia el otro sentido.

Examen febrero 2003: Enumere y describa brevemente tres m-todos de !lanificaci*n de disco/ es!uesta: (e listan todas las !osibles Bs*lo se !iden ;: >C>( B>irst Come >irst (erved;: Atender las solicitudes en orden de lle$ada/ Es fácil de !ro$ramar !ero no ofrece el meor tiem!o de servicio5 !ues se invierte mucho tiem!o en cambios de direcci*n de la cabeza de lectura/ ((H> B(hortest (ee# Hime >irst;: Atiende la solicitud de menor tiem!o de !osicionamiento5 res!ecto a la !osici*n actual/ 7ebe estudiarse como evitar !os!osici*n indefinida/ (CA@: %a cabeza de lectura comienza en un extremo y se des!laza a l otro5 sirviendo las solicitudes al lle$ar a cada !ista5 hasta alcanzar el extremo o!uesto5 y as? sucesivamente/ CD(CA@: Como (CA@5 !ero cuando lle$a al extremo o!uesto del disco retorna de inmediato al inicio5 donde hay más solicitudes !endientes5 sin atender solicitudes intermedias/ %JJ: Como (CA@5 !ero el al$oritmo mira si hay más solicitudes !endientes en la direcci*n en .ue actualmente se está moviendo5 y si no hay5 cambia de direcci*n/ CD%JJ es el e.uivalente !ara CD(CA@/ En $eneral son la forma en .ue se im!lanta (CA@ y CD(CA@5 !or razones de eficiencia/


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FING - UDELAR Examen marzo 2003: (ea un disco con 2 cilindros numerados del 0 al F5 y la si$uiente cola de !edidos: F25 F5 F5 F35 25 F5 F95 65 22 y F6/ Na$a una tabla .ue muestre la secuencia de !lanificaci*n de atenci*n de los !edidos !ara los al$oritmos >irst Come >irst (erved5 (hortest (ee# Hime >irst5 (CA@5 CD(CA@5 %JJ y CD%JJ/ (u!on$a .ue la cabeza del disco está ubicada sobre el cilindro 0/ @ota: En los al$oritmos .ue !ueda haber más de una o!ci*n5 elia una y aclare el criterio/ es!uesta: En los casos (CA@5 CD(CA@5 %JJ y CD%JJ su!ondremos .ue la cabeza se viene moviendo de iz.uierda a derecha/ >C>(: 0DF2DFDFDF3D2DFDF9D6D22DF6/ ((H>: 0D22DFDF9DF6DF3DFDF2D6D2DF/ (CA@: 0DFD22DFDF9DF6DF3DFDF2D6D2DF/ C(CA@: 0DFD0DFD2D6DF2DFDF3DF6DF9DFD22/ %JJ: 0D22DFDF9DF6DF3DFDF2D6D2DF/ C%JJ: 0D0DFD2D6DF2DFDF3DF6DF9DFD22/

11.1.6

Comparaci ó n de los algoritmos de planificaci ó n

11# y /GGE son los m%s utilizados. 1+AD y +61+AD an demostrado ser mejores ante sistemas que tienen una alta carga en disco. -l servicio de disco es muy dependiente del m'todo de asignaci$n de arcivos. Examen marzo 200: Comente y ex!li.ue diferencias entre las formas de !lanificaci*n de disco si$uientes: >C>(5 ((H>5 (CA@ y CD(CA@/ es!uesta: >C>( B >irst Come >irst (erved ; o servicio !or orden de lle$ada o hay un mayor movimiento total de la cabeza .ue da menor desem!eMo/ ((H> B (hortest (ee# Hime >irst ; o se busca a.uel .ue im!li.ue un tiem!o más corto dada la !osici*n actual de la cabeza/ o hay .ue tomar al$una !ol?tica adicional !ara evitar !os!osici*n indefinida/ o meor tiem!o .ue >C>(5 !ero no es *!timo/ (CA@ o el brazo del disco !arte de un extremo del disco5 y se mueve hacia el otro5 atendiendo las solicitudes corres!ondientes a cada cilindro/ Cuando lle$a al otro extremo del disco5 invierte la b8s.ueda o desventaa: cuando la cabeza Oda la vuelta< tiene !ocas solicitudes !ara atender5 !ues si$ue su recorrida en los cilindros .ue visit* más recientemente/ %a mayor?a de las solicitudes !endientes estarán en los 8timos cilindros a recorrer/ o edunda en un tiem!o de es!era no uniforme/ CD(CA@ o ariante del anterior/ (oluciona el !roblema de !osicionamiento de -ste5 movi-ndose siem!re al cilindro inicial lue$o de visitarlos a todos/ Examen marzo 200: ¿1tilizar?a el m-todo de asi$naci*n enlazada en un sistema donde la mayor?a de los accesos no son secuenciales" )ustifi.ue su res!uesta/ es!uesta: @o5 el acceso al iD-simo blo.ue de un archivo !uede re.uerir i lecturas de disco5 si$uiendo los !unteros hasta lle$ar al blo.ue destino/ Examen marzo 2003: ¿,u- desventaa !resenta el al$oritmo (CA@" 7- una alternativa/


124

FING - UDELAR

11.2 Estructuras RAID -s com*n tener una gran cantidad de discos adjuntados a un sistema. -sto permite implementar t'cnicas orientadas a mejorar el servicio. /as mejoras vienen dadas por8 ● ●

$oniabilidad8 casos de fallo de discos. ograr me4orar los tiempos de transferencia8 acceso m%s eficiente.

Examen ulio 2009: ¿,u- ti!o de meoras brindan los sistemas A47 Bredundant array of inex!ensive dis#;" Examen mazo 200: ¿%os sistemas A47 Bedundant Arrays of 4nex!ensive 7is#;5 a .u- meoras a!untan"

-!isten t'cnicas llamadas ;A7& (edundant Arrays of 4nex!ensive 7is#s ). /a confiabilidad se logra a trav's de redundancia de la informaci$n. /a redundancia puede darse duplicando discos (mirror ), o trav's de bits de control. /a mejora de los tiempos de respuesta se logra a trav's de la disposici$n de la informaci$n en los diferentes discos. #'cnicas de stri!!in$ son utilizadas a nivel de bit , byte, sectores, bloque de sectores y bloque. &iferente niveles de ;A7&

;A7& (3 M @)


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FING - UDELAR

Examen ulio 2003: Ex!li.ue como es un sistema A47 0SF y describa sus ventaas/ es!uesta: El nivel de A47 0SF fracciona los datos BOstri!!in$<; !ara meorar el rendimiento5 !ero tambi-n utiliza un conunto de discos du!licados !ara conse$uir redundancia de datos de manera de aumentar la tolerancia ante fallas/ Al ser una variedad de A47 h?brida5 A47 0SF combina las ventaas de rendimiento de A47 0 con la redundancia .ue a!orta A47 F/ Examen diciembre 2006: %as estructuras A47 Bedundant Arrays of 4nex!ensive 7is#s; brindan servicios de meora en la confiabilidad y en los tiem!os de transferencias/ Na$a una tabla .ue clasifi.ue los A47 ti!o 05 F y 35 mencionando .ue servicioBs; meoran/ es!uesta: A47 Confiabilidad Hiem!o acceso 0 @o (? F (? (? y @o/ 3 (? (?  7e!ende de la im!lementaci*n/ (e toma como válida cual.uier res!uesta


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FING - UDELAR

12 Subsistema de Entrada-Salida 12.1 Introducción Uno de las principales funciones de un sistema operativo es controlar todos los dispositivos de -ntrada01alida que est'n conectados al mismo8 teclado, rat$n, impresora, monitor, red, etc. Para encapsular los detalles de los diferentes dispositivos, el n*cleo del sistema operativo se estructura con el uso de m$dulos de dispositivos. /os manejadores de dispositivos (device drivers) presentan un acceso uniforme al subsistema de -ntrada01alido. /os dispositivos se comunican con la computadora a trav's de se5ales sobre un puerto. 1i varios dispositivos utilizan el mismo medio de comunicaci$n, la cone!i$n es llamada us. Un bus es un conjunto de l"neas (wires) y un protocolo que especifica un conjunto de mensajes que son enviados a trav's de 'l. /os buses son com*nmente usados en los sistemas de computaci$n para interconectar los dispositivos.

Un controlador (o adaptador) es un chi! electr$nico que puede operar en un puerto, bus, o dispositivo. Por ejemplo, un controlador de puerto serial es un dispositivo que controla las se5ales sobre un puerto serial. Un controlador de bus 1+17 es m%s complejo debido al protocolo 1+17.

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FING - UDELAR

Una v"a de comunicaci$n es a trav's de instruccciones de -01 especiales que especifican una transferencia de un byte, o palabra acia una direcci$n de puerto de -01 (4J !ort address ). /a instrucci$n de -01 genera adecuadas se5ales sobre las l"neas del bus para lograr la comunicaci$n con el dispositivo adecuado y mover bits acia y fuera de los registros del dispositivo. Gtra opci$n es utilizar mapeo de memoria del dispositivo de -01 (memoryDma!!ed 4J). /os registros del dispositivo son 9mapeados9 a memoria principal. Un ejemplo de este tipo de coumuncicaci$n es el controlador de una tarjeta de video. Un puerto de -01 consiste, generalmente, en cuatro registros8 ●

●

●

●

&stado (status)8 estos registros pueden ser le"dos por el equipo.

7nforman del estado del dispositivo (completitud de una operaci$n, disponibilidad de leer del registro de datos de entrada, e!istencia de un error en el dispositivo. $ontrol (control )8 pueden ser escritos por el equipo para generar un pedido, cambiar de mode el dispositivo. Datos de entrada (data-in)8 son le"dos por el equipo para obtener la entrada Datos de salida (data-out )8 son escritos por el equipo para enviar una salida.

12.2 Métodos para efectuar una E/S 12.2.1 E/S programada (Programmed I/O)

-l procesador le comunica un pedido a la controladora del dispositivo y queda en un 9busy waitin$9 consultando a la controladora para verificar el estado del pedido. -l procesador genera una solicitud de -01 y luego se encarga de controlar la completitud de la misma controlando alg*n registro del controlador de dispositivo. /a consulta la realiza en una iteraci$n continua denominada !ollin$ o busy waitin$. /a t'cnica de busy waitin$ consume ciclos de procesador en forma innecesaria. co!yXfromXuserBbuffer5!5count;Z for BiT0Z i _ countZ iSS; Y whileB!rintXstatusXre$ [T EA7g; Z !rinterXdata/re$ister T !ìZ \ returnXtoXuserB;Z

1i bien esto permite una programaci$n simple, tiene como gran desventaja el desperdicio de ciclos de procesador que podr"an ser utilizados para otra tarea. Examen mazo 200: 7escriba el m-todo de Entrada(alida 'ro$ramada B'ro$rammed 4J;/ 7iscuta sus ventaas y desventaas/

2 Examen marzo 2009: ¿,u- entiende !or el m-todo !ollin$"


128

FING - UDELAR 12.2.2 Interrupciones (Interrupt-Driven)

-l procesador le comunica el pedido a la controladora y se libera para realizar otras tareas. +uando el dispositivo termina el pedido, la controladora genera una interrupci$n al procesador. -l proceso que est% ejecutando realiza la solicitud de -01, se agrega a la cola de espera del dispositivo, y finalmente, invoca al planificador (scheduler ) para que asigne el procesador a otro proceso. -l controlador de dispositivo notificar% la completitudo de la solicitud a trav's de una interrupci$n. Una rutina de atenci$n de la interrupci$n ser% invocada interrumpiendo la ejecuci$n del proceso asignado al procesador. -s necesario salvar el estado del proceso que estaba ejecutando. Una vez que la completitud de la -01 es registrada por el manejador de la interrupci$n (interrru!t handler ), el proceso que gener$ la solicitud es desbloqueado y se lo asigna a la lista de procesos listos.

co!yXfromXuserBbuffer5!5cuenta;Z habilitarXinterru!cionesB;Z While B!rinterXstatusXre$ [T EA7g; Z !rinterXdataXre$ister T !`0Z addXtoX.ueueBcurrent;Z schedulerB;Z removeXfromX.ueueBcurrent;Z ///

/a rutina scheduler asignar% el procesador a otro proceso. +uando este proceso vuelva a ejecutar, lo ar% luego de la instruccion scheduler .


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FING - UDELAR

if Bcount TT 0; unbloc#XuserB;Z else Y !rinterXdataXre$ister T !ìZ countDDZ iSSZ \ ac#nowled$eXinterru!tB;Z returnXfrom interru!tB;Z

/a gran ventaja es que el procesador queda disponible para otro proceso que requiera el recurso. -s necesario soporte de hardware , adem%s, se deben codificar los manejadores de interrupciones (interru!ts handlers).

12.2.3 Acceso directo a memoria (DMA - Direct Memory Access)

1e utiliza un chi! especial que permite transferir datos desde alguna controladora a memoria sin que el procesador tenga que intervenir en forma continua. Examen diciembre 200+: ¿,u- ventaa se tiene en un sistema .ue utiliza 7=A B7irect =emory Access;" Ex!li.ue los !asos .ue son llevados a cabo !ara la transferencia/ es!uesta: El uso de 7=A !ermite .ue la C'1 !ueda realizar otras tareas mientras se realiza una transferencia de E(/'ara la transferencia se debe !rimero escribir un blo.ue de comando 7=A en memoria/ El blo.ue contiene un !untero al ori$en de los datos5 un !untero al destino y la cantidad de bytes a transferir/ %a C'1 escribe la direcci*n de este blo.ue en el dis!ositivo 7=A y se libera !ara realizar otras tareas/ El controlador 7=A se encar$a5 sin interrum!ir al !rocesador5 transferencia o!erando directamente sobre el bus/ Examen marzo 2009: describa el m-todo de acceso directo B7irect =emory Access; Examen ulio 2009: ¿,u- $ran ventaa tiene el m-todo de entradasalida 7=A frente al de entradasalida !ro$ramada B'ro$rammed 4J;/ 7escriba los 6 !asos de una entradasalida a trav-s de un 7=A/


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FING - UDELAR Examen ulio 200+: 7escriba los diferentes com!onentes involucrados en una o!eraci*n de entradaDsalida incluyendo el !ro!*sito es!ec?fico de cada uno de ellos/ es!uesta:  Nardware de E(: 7is!ositivos diversos .ue $eneralmente com!arten un medio com8n o bus5 a donde re!ortan si$uiendo un !rotocolo es!ec?fico/ 'ara cada dis!ositivo o !uerto hay5 en hardware5 un controlador .ue im!lementa la !arte del !rotocolo .ue corres!onde a a.u-l/  =aneador de interru!ciones: %ue$o de cada instrucci*n5 la C'1 verifica una linea de solicitud de interru!ciones5 y en caso de .ue ocurra5 salva el estado y l lama a una rutina maneadora/ Esta determina el ori$en de la interru!ci*n5 la !rocesa y retorna a la C'15 a la instrucci*n !revia a la interru!ci*n/  7=A: 1n controlador es!ecializado .ue evita ocu!ar el !rocesador com8n como !asamanos !ara transferir informaci*n del dis!ositivo a memoria5 o viceversa/ 'ara eso accede directamente al 1(/

Un problema que presenta en el manejo por interrupciones es que, por ejemplo, los dispositivos orientados a caracteres interrumpen en cada transferencia. -sto puede generar una degradaci$n importante del sistema. 1e dispone de un dispositivo especializado que permite realizar transferencias desde ciertos dispositivos a memoria. /a transferencia se ace en paralelo mientras el procesador realiza otras tareas. -l procesador carga ciertos registros en el controlador &
unblocN[user()\ return[from[interrupt()\


131

FING - UDELAR :<&<&=&:

Interfa> de aplicaci*n de $9S

-l sistema operativo propone estructuras e interfaces para lograr manipular dispositivos de -01 de forma est%ndar y uniforme. -sta apro!imaci$n genera abstracci$n, encapsulamiento y utilizaci$n de capas en el software . 1e abstraer% los dispositivos identificando sus caracter"sticas y proponiendo una forma uniforme de acceso a los dispositivos del mismo tipo. +ada dispositivo (si bien pueden pertenecer a un mismo tipo) encapsular%n la comunicaci$n con la controladora en m$dulos llamados device drivers independientes. /ograr independizar el subsistema de -01 del hardware simplifica el trabajo a los desarrolladores de un sistema operativo.

Dispositi%os de lo5ues


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FING - UDELAR

1on dispositivos que su granularidad de informaci$n es a nivel de bloques. 1e especializan en transferir grandes vol*menes de datos. -j. &iscos. Dispositi%os de caracteres (6har devices )

/a granularidad es de caracteres8 -j. teclados, rat$n, puerto serial. peraciones blo5ueantes (7locking )

+uando un proceso requiere de un servicio de -01 a trav's de una rutina bloqueante, el proceso se suspende asta que la operaci$n aya finalizado. -s f%cil de utiliar y entender. peraciones no blo5ueantes (Nonlocking )

-l llamado al servicio de -01 es devuelto tan pronto como sea posible. peraciones asincr-nicas (asynchronous )

/a operaci$n es ejecutada en paralelo. +uando finaliza le avisa a trav's de una se5al. 1on dif"ciles de utilizar. peraciones sincr-nicas (synchronous )

/os procesos que realizan pedidos de -01 se bloquean asta que el pedido finalice.

-l n*cleo del sistema operativo brinda varios servicios para el manejo de -01, que est%n desarrollados en la infraestructura de hardware y device drivers/ ● ● ● ● ●

Planificaci$n de -01 B4J (chedulin$) ufferin$ Cachin$ (!oolin$
Planiicaci-n de &'S ( I9 Scheduling )


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FING - UDELAR

/a planificaci$n de requerimientos de -01 debe ser eca para lograr un buen rendimiento del dispositivo. 1eguramente los pedidos generados a trav's de llamados a sistema por parte de los procesos, no generan una buena secuencia de planificaci$n para el dispositivo. +uando un proceso genera una -01 bloqueante, es puesto en la cola del dispositivo correspondiente y el subsistema de -01 reorganiza los pedidos para lograr un mayor rendimiento.

7uffering

-s un lugar de memoria que guarda informaci$n (datos) mientras son transferidos entre dos dispositivos o un dispositivo y una aplicaci$n. -!isten 2 razones para realizar bufferin$8 ● ●

●

Dormalizar las velocidades entre diferentes dispositivos. Adaptarse entre dispositivos que difieren en los tama5os de transferencia
6aching

/a cache es una regi$n de memoria m%s r%pida que contiene copias a datos. 1u utilizad es acelerar el acceso a la informaci$n. -n bufferin$ se tiene los datos originales, mientras que cachin$ se tiene una o varias copias en un medio de memoria m%s r%pido. -l cachin$ introduce problemas de consistencia de la informaci$n. Spooling


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FING - UDELAR

-s un buffer que que mantiene salida para un dispositivo que no se pueda intercalar. -l sistema captura la salida para el dispositivo y la va guardando para brindarla en el orden correcto. -l s!oolin$ es un forma que el sistema operativo tiene para coordinar salida concurrente para dispositivos. #iene la ventaja que libera al proceso, permitiendo continuar su ejecuci$n. 1u trabajo es guardado y ser% enviado al dispositivo cuando el subsistema lo crea conveniente. E/: 4m!resora/ Mane4o de errores (&rror *andling)

+ada llamado a sistema retorna un bit que que informa el '!ito o fracaso de la operaci$n sobre una -01. -D UD7O se utiliza una variable errno que es utilizada para codificar el error.


135

FING - UDELAR

13 Concurrencia Un proceso cooperativo puede afectar o ser afectado por los dem%s. Podr"an compartir un espacio de direcciones l$gicas (c$digo y datos), o solo datos a trav's de arcivos. -n el primer caso, es a trav's de ilos, lo que puede dar pie a inconsistencias. $%emplo de concurrencia FACTORIAL (N: Integer) BEGIN COBEGIN a = Semifact (N, ½) b = Semifact (N/(2 - 1), 1) COEND fact = a * b END

#odo lo que est% entre CJEI4@ y CJE@7 se puede ejecutar de forma simult%nea. Multiplico por separado 1… n/2 y n/2 … n

$%emplo de no concurrencia J = 10 COBEGIN print j j = 1000 COEND print j

/a primera impresi$n, no s' si es @3 o @333, todo depende de que instrucci$n se ejecute primero. /a segunda impresi$n siempre es @333, porque asta que no se ejecute todo lo que est% entre el CJEI4@ y CJE@7 no se sigue.

13..1 An 13 Ante tece ced dentes +uando compartimos a trav's de un buffer , ay que controlar si se vac"a o llena. Podemos a5adir un contador que indica la cantidad de elementos del buffer . -l problema es que como los procesos que leen y escriben son concurrentes, pueden aparecer problemas al actualizar el valor de esa variable, dependiendo de c$mo se ejecuten las instrucciones de m%quina. &ebemos lograr que solo un proceso a la vez trabaje con el contador. $%emplo'

1 Reg1 = cont 2 Reg1 = Reg1 + 1 3 cont = Reg1 • •

4 Reg2 = cont 5 Reg2 = Reg2 - 1 6 cont = Reg2

/a variable contador puede guardar distintos valores. 1i el contador al comienzo es >, y ejecuto las instrucciones8

@ V 4 V  V F V 2 V >8 -l contador queda en F @ V  V 2 V 4 V F V >8 -l contador queda en >

9rao de precedencia

-s un grafo ac"clico, dirigido, cuyos nodos corresponden a las sentencias, y las flecas a la precedencia.


136

FING - UDELAR

$%emplo' Grafo:

Código 1:

INI

S2

S3

Código 2: INI COBEGIN

INI COBEGIN

BEGIN

P S3

S2 S4 COBEGIN

COEND FIN

S4

S5 S6

P: BEGIN S5

COEND END S3

S2 S4 COBEGIN

S6

S5 S6

COEND FIN

COEND FIN

END

$%emplo' Grafo:

INI

S2

S3

S4

S5

S6

FIN

-n este caso no ay forma de representar el grafo con +GB-K7D y +G-D&, sin incorporar otras primitivas. 13.2 13 .2 El pr prob oble lema ma de la se secc ccii ón crí tica tica +onsideramos el sistema con n procesos ]'05  5 'n^, donde cada cual tiene un segmento de c$digo, llamado secci*n cr?tica , en el que el proceso podr"a estar modificando variables comunes, etc. /a idea es que mientras un proceso se est% ejecutando en Secci ón ingreso secci$n cr"tica, ning*n otro puede estar en otra secci$n cr"tica\ solo ejecutando otras secciones. Sección crítica As" la ejecuci$n de secciones cr"ticas, es mutuamente . +ada proceso debe solicitar permiso para ingresar en exclusiva Secci ón egreso su secci$n cr"tica y debe indicar cuando sali$ de ella. +res re5uisitos 5ue cumple una secci-n cr/tica Mutua e7clusi-n: 1i el proceso Pi se ejecuta en su secci$n cr"tica, ●

ning*n otro proceso puede estarse ejecutando en su secci$n cr"tica.

●

&spera limitada: ay un l"mite, para el n*mero de veces que se

permite a otros procesos entrar en sus secciones cr"ticas, luego de que Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

137

FING - UDELAR

●

un proceso pidi$ autorizaci$n de ingreso. Do se permite la !os!osici*n indefinida. Progreso: 1e deben cumplir las siguientes condiciones8 #o alternaci-n: Do puedo obligar a que se ejecuten, primero uno, ○ luego el otro, vuelvo al primero, etc. Sin puntos muertos (Deadloc1): A espera a B, y B espera a A, y ○ los dos est%n bloqueados simult%neamente.

Examen febrero 200: 7emuestre la verdad o falsedad de cada uno de los si$uientes enunciados: F; las cuatro condiciones necesarias !ara el blo.ueo mutuo son tambi-n suficientes si existe solo un recurso de cada uno de los ti!os im!licados en la es!era circular/ es!uesta: erdadera: 7ada la definici*n de $rafo de asi$naci*n de recursos5 !uede mostrarse fácilmente .ue si el $rafo contiene un ciclo y cada ti!o de recursos tiene exactamente una instancia5 entonces un ciclo im!lica .ue se ha !roducido un blo.ueo mutuo/ En otras !alabras5 si todos tienen recursos asi$nados y están es!erando !or otros en una cola circular5 Bno !udiendo ni com!artir los recursos ni .uitársele la asi$naci*n a nin$8n !roceso;5 entonces no van a !oder liberar sus recursos hasta tanto no obten$an el recurso .ue es!eran5 .ue no será liberado hasta .ue al$uien de la cadena desista o libere su recurso/ Como esto no sucederá B!or.ue no !uede .uitársele el recurso; entonces .uedarán es!erando eternamente/ 2; las cuatro condiciones necesarias !ara un blo.ueo mutuo son tambi-n suficientes si existen varios recursos de cada uno de los ti!os im!licados en la es!era circular/ es!uesta: >alsa: Esto !uede verse fácilmente con el si$uiente contraeem!lo:

Aun.ue a.u? hay un ciclo y se cum!len las + condiciones necesarias5 cuando ' libere una de las instancias de F5 deará de existir el ciclo y all? se verá claramente .ue no hay blo.ueo mutuo5 !ues ahora se le !uede asi$nar a '2 una instancia de F/ Examen marzo 200+: =encione los tres re.uisitos .ue debe cum!lir una soluci*n al !roblema de la secci*n cr?tica/ Examen febrero 2003: Enumere y ex!li.ue cuales son los tres re.uisitos .ue debe cum!lir una soluci*n al !roblema de la secci*n cr?tica/ es!uesta: exclusi*n mutua: A lo máximo un !roceso !uede estar eecutando en su secci*n cr?tica/ 'ro$reso: %a decisi*n de cuál será el !r*ximo !roceso a entrar en su secci*n cr?tica debe ser tomada solo !or a.uellos .ue no est-n eecutando en su secci*n restante5 y esta decisi*n no !uede !oster$arse indefinidamente/ Es!era limitada: 7esde el momento en .ue un !roceso !articular intent* entrar a su secci*n cr?tica5 debe haber un l?mite en la cantidad de veces .ue otros !rocesos lo$ran entrar antes .ue -l/

13.2.1 Soluciones para dos procesos

Para e!plicarlo mejor vamos a usar el problema de8 OAlicia y ernardo5 son vecinos5 y tienen un !atio en com8n/ En ese !atio .uieren !asear sus !erros5 !ero los dos untos se !elean5 as? .ue tienen .ue turnarse< Algoritmo :


138

FING - UDELAR

PROCEDURE Alicia while true do { while turno <> 1 do; PASEO_PERRO turno = 2; OTRAS_TAREAS } END

PROCEDURE Bernardo while true do { while turno <> 2 do; PASEO_PERRO turno = 1; OTRAS_TAREAS } END

BEGIN turno = 1; COBEGIN Alicia Bernardo COEND END

/os dos comparten una variable global turno, y dependiendo del valor de la variable, pasean al perro. 1e cumple la mutua e!clusi$n, pero no la no alternaci$n (progreso), ya que asta que Bernardo no pasee el perro, Alicia no puede acerlo. Algoritmo <-a PROCEDURE Alicia while true do { 1 - while flag_b do; 2 - flag_a = true; 3 - PASEO_PERRO 4 - flag_a = false; OTRAS_TAREAS } END

PROCEDURE Bernardo while true do { 1 - while flag_a do; 2 - flag_b = true; 3 - PASEO_PERRO 4 - flag_b = false; OTRAS_TAREAS } END

BEGIN flag_a = false; flag_b = false; COBEGIN Alicia Bernardo COEND END

Gtra soluci$n es colocar banderas al salir.

139

FING - UDELAR ALICIA 1

B E

A R D O

3

4

FF

FF

TF

TF

FF

FF

FF

FT

FT

FF

FT

FT

TT

TT

FT

FT

FT

TT

TT

FT

FF

FF

TF

TF

FF

1

R N

2

2

3

4

Algoritmo <- PROCEDURE Alicia while true do { 1 - flag_a = true; 2 - while flag_b do; 3 - PASEO_PERRO 4 - flag_a = false; OTRAS_TAREAS } END

PROCEDURE Bernardo while true do { 1 - flag_b = true; 2 - while flag_a do; 3 - PASEO_PERRO 4 - flag_b = false; OTRAS_TAREAS } END

BEGIN flag_a = false; flag_b = false; COBEGIN Alicia Bernardo COEND END

Gtra forma de acerlo, es antes mirar la bandera del otro, levantar la de uno, mostrando la intenci$n de pasear al perro, y luego miro si puedo. ;esuelvo el problema de mutua e!clusi$n, pero puedo llegar a 7EA7%JC Algoritmo =

1i combinamos los dos primeros algoritmos, llegamos a la soluci$n definitiva, llamada Algoritmo de De11er


140

FING - UDELAR ALICIA 1

B E R N A R D O

2

3

TF

4

FF

TF

TF

FF

FT

TT

TT

FT

FT

TT

FT

FT

TT

FT

FF

FT

1

2

3

4 TF

TF

FF

PROCEDURE Alicia while true do { flag_a = true; while flag_b do { if (turno == 2) then { flag_a = false while (turno == 2) do; flag_a = true; } } PASEO_PERRO turno = 2; flag_a = false; OTRAS_TAREAS } END

PROCEDURE Bernardo while true do { flag_b = true; while flag_a do { if (turno == 1) then { flag_b = false while (turno == 1) do; flag_b = true; } } PASEO_PERRO turno = 1; flag_b = false; OTRAS_TAREAS } END

BEGIN flag_a = false; flag_b = false; turno = 1; COBEGIN Alicia Bernardo COEND END

/a soluci$n de Peterson soluciona igual que De11er, pero es m%s general, ya que esta soluci$n es complicada para m%s de dos personas. Examen marzo 2003: Escriba un al$oritmo en len$uae de alto nivel BC o 'A(CA%; .ue solucione el !roblema de la secci*n cr?tica !ara dos !rocesos en un sistema mono!rocesador/ Asuma .ue las sentencias son eecutadas de forma at*mica/ (olo se !ermitirá el uso de variables $lobales a los dos !rocesos5 y es !osible utilizar Pbusy waitin$Q/ ¿,ue re.uerimientos debe satisfacer su soluci*n !ara .ue esta sea correcta" (olo enuncielos5 no los describa/ es!uesta: DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD fla$ì :T trueZ turn :T Z while Bfla$` and turnT; do noDo!Z (ECC4J@ C4H4CA fla$ì :T falseZ DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD a/ =utuo Exclusi*n/ b/ 'ro$reso/ c/ Es!era limitada/ Examen marzo 2006: a; ¿,u- soluciona el al$oritmo de 7e##er" b; Escriba el al$oritmo de 7e##er/


141

FING - UDELAR es!uesta: (oluciona el !roblema de la secci*n cr?tica !ara dos !rocesos/

Examen marzo 200: ¿,u- !roblemas !resenta el al$oritmo de 7e##er !ara mutuo exclusi*n de !rocesos" es!uesta: (atisface los re.uisitos !ara el !roblema de la secci*n cr?tica5 !ero !resenta un busyDwait5 !ues es!era el cambio de una fla$ .ue indica .u- !roceso !uede acceder a su secci*n cr?tica/ (*lo es a!licable !ara 2 !rocesos y no es facilmente $eneralizable !ara @ !rocesos/

<H? I# ------------------------------FORK ET1 ------------------------------ET1 -------------------------------

1inta!is8 G;E etiqueta

:G7D m,etiqueta

FORK

JOIN

-s como un IJHJ, donde un proceso se ejecuta siguiente, y el otro despu's de la etiqueta. -n el caso del )J4@, decremento m en uno, y si m T 0, salto a la etiqueta. -stas dos instrucciones, se ejecutan como instrucci$n *nica, de corrido.


142

FING - UDELAR Grafo:

INI

S2

S3

S4

S5

S6

FIN

1i ay n procesos concurrentes, el oin mata uno a uno, y reci'n el *ltimo, pasa a ejecutar el proceso siguiente. $%emplo' $l caso 8ue no se podFa solucionar con 67$EIN G 6$ND (F contF T 2 cont2 T 2 >J %F (2 (+ >J %2 (3 IJHJ %9 %F : ( %2: )J4@ contF5 %6 ,14H %6: (6 %9: )J4@ cont25 % ,14H %: (9

<H ? 2AI+

main () { int pi'_hiCo; pi'_hiCo = /?"H(); if (pi'_hiCo < 0) :>I3$5_#""?" else { if (pi'_hiCo == 0) -- :oy el hiCo else


143

FING - UDELAR





-- :oy el pa're

Examen ulio 200+: A continuaci*n se !ro!one una soluci*n al !roblema de la secci*n cr?tica !ara dos !rocesos i y  .ue eecutan en un 8nico !rocesador/ %as instrucciones son at*micas/ 'roceso i 'roceso  while Btrue; do be$in while Btrue; do be$in fla$i :T trueZ fla$ :T trueZ while B fla$ ; do be$in while B fla$i ; do be$in fla$i :T falseZ fla$ :T falseZ while B fla$ ; do while B fla$i ; do noDo!Z noDo!Z fla$i :T trueZ fla$ :T trueZ endZ endZ (ecci*n Cr?tica (ecci*n Cr?tica fla$i :T falseZ fla$ :T falseZ (ecci*n no cr?tica (ecci*n no cr?tica endZ endZ 7etermine si es correcta/ )ustifi.ue brevemente/ es!uesta: 'ara com!robar .ue el al$oritmo es correcto5 hay .ue demostrar .ue cum!le las tres condiciones de exclusi*n mutua5 !ro$reso y es!era limitada/ 'ara com!robar .ue no es correcto basta con un contraeem!lo/ En este caso no se cum!le ya .ue el si$uiente eem!lo muestra un caso !ara el cual no se cum!le la condici*n de !ro$reso/ fla$i :T trueZ fla$ :T trueZ while B fla$ ; do be$in while B fla$i ; do be$in fla$i :T falseZ fla$ :T falseZ while B fla$ ; do while B fla$i ; do fla$i :T trueZ fla$ :T trueZ while B fla$ ; do be$in while B fla$i ; do be$in /// (i se mantiene esta secuencia de eecuci*n nunca accederán a la secci*n cr?tica5 y !or lo tanto el es.uema no !ro$resa/

8.8 5ard4are de sincroni!aci-n /as caracter"sticas de hardware pueden facilitar las tareas de programaci$n y mejorar la eficiencia del sistema. -l problema de las secci$n cr"tica se resolver% f%cilmente en un entorno uniprocesador, proibiendo las interrupciones mientras se modifica una variable, pero esa soluci$n no es factible en un entorno multiprocesador, ya que es costoso sincronizar todos los +PU con la proibici$n de interrupciones.

144

FING - UDELAR begin

#@aluar_y_asinarJ= obCeti@o; obCeti@oJ= true; end

La forma de usarlo es: wile #@aluar_y_asinar (cerra'ura) do na'a;

:#66>K3 6"L>6$ cerra'uraJ= false; :#66>K3 "#:$3#

/a instrucci$n intercambiar opera sobre dos palabras, ejecut%ndose at$micamente. procedure >ntercambiar (@ar a, bJ boolean); !ar tempJ boolean; begin

temp J= a; aJ= b; bJ= temp;

end ;

y se usa de la forma8 repeat

lla@eJ= true; repeat

>ntercambiar (cerra'ura, lla@e); until lla@e = false; :#66>K3 6"L>6$ cerra'uraJ= false; :#66>K3 "#:$3# until false; Examen febrero 200: Com!are el uso directo de instrucciones ti!o Hest^(et con el uso de semáforos es!uesta: Hest^(et (emáforo e.uiere s*lo so!orte de hardware e.uiere so!orte del (istema J!erativo y Nardware (e !roduce es!era ocu!ada 'rocesos es!eran en estado blo.ueado =ecanismo de bao nivel =ecanismo de mayor nivel Bllamada al Binstrucci*n de má.uina; sistema; @o !ermite !riorizar las es!eras 'rocesos blo.ueados !ueden !riorizarse 7e!endiente de la ar.uitectura 7e!endiente del sistema o!erativo Bmás del !rocesador !ortable; Examen marzo 2003: En un sistema mono!rocesador: ¿(*n necesarias la o!eraciones PHest and (etQ y P(wa!Q" )ustifi.ue/ (i considera .ue es necesario: ¿,ui-n !rovee la o!eraci*n PHest and setQ" es!uesta: (?5 son necesarias ya .ue la sincronizaci*n entre los !rocesos se debe !roveer al i$ual .ue en un sistema multi!rocesador/ %a instrucci*n es !rovista !or el hardware/


145

FING - UDELAR Examen diciembre 2003: A nivel del sistema o!erativo5 ¿.u- !ermite la instrucci*n (WA' !rovista !or el hardware" es!uesta: 'oder im!lementar la sincronizaci*n entre !rocesos5 debido a la atomicidad .ue !resenta esta instrucci*n/

8.J Sem3oros /as soluciones dadas anteriormente no son generalizables, para superar esa dificultad, podemos usar una erramienta de sincronizaci$n llamada semáforo/ Un sem%foro 1, es una variable entera, que luego de asignarle un valor inicial, solo se lo puede acceder con dos operaciones at$micas P (espera) y J (se5al).

P(1)8

0*ile (s _ 3)\

s66\

J(1)8 sMM\

SemCforo inario' 1u valor var"a entre 3 y @.

:=&;&: Uso 1e puede usar sem%foros para resolver problemas de secci$n cr"tica para n procesos. #odos los procesos comparten un sem%foro de valor inicial @. Adem%s podemos sincronizar procesos, iniciando 1 con valor 3 y poniendo8 P1; V(S);

Por lo tanto P, va a ejecutarse despu's de P@, porque tiene que esperar J(1).

P(S); P2;

:=&;&< Implementaci*n /as desventajas del ejemplo anterior, es que requiere busy waitin$, ya que cualquier proceso que quiera ingresar a la secci$n cr"tica, mientras otro est% en ella, debe ejecutar continuamente el ciclo de ingreso, generando un gasto innecesario del +PU, aunque en sistemas multiprocesador puede ser una ventaja, porque no requiere cambio de conte!to.

Para no usar busy waitin$, se pueden definir los sem%foros de otra forma, bloqueando el proceso mientras espera. /a operaci$n coloca al proceso en una cola de espera asociada al sem%foro, y este proceso se inicia cuando otro proceso ejecute  de ese sem%foro. -l sem%foro se define como un arreglo8 type semaforo = record valor: integer; L: list of proceso; end;

'B(;:

` las operaciones son de la forma8 if Bs & 0; then B(;: if Bhay tarea en es!era !or (; sDDZ then else des!ierto unaZ es!ero en (Z else


146

FING - UDELAR

sSSZ

endif endif

'B(; T sDDZ if Bs _ 0; 4ait Z

B(; T sSSZ if Bs & 0; des!ierto unaZ

-jemplo8 A a5 b5 c5 d5 e5 f5 $ (E=A>JJZ 4@4H Ba5 0;Z 4@4H Bb5 0;Z 4@4H Bc5 0;Z 4@4H Bd5 0;Z 4@4H Be5 0;Z 4@4H Bf5 0;Z 4@4H B$5 0;Z CJEI4@

S1 b a S2

S3

e

S4 c

EI4@ (FZ Ba;Z Bb;Z E@7 EI4@ 'Ba;Z (2Z (+Z Bc;Z Bd;Z E@7 EI4@ 'Bb;Z (Z Be;Z E@7 EI4@ 'Bc;Z (3Z Bf;Z E@7 EI4@ 'Bd;Z 'Be;Z (6Z B$;Z E@7 EI4@ 'Bf;Z 'B$;Z (9Z E@7

d

S5

S6 f

g

CJE@7

S7

Gtra forma, es tratando de aorrar sem%foros. A d (E=A>JJZ 4@4H Bd5 0;Z (FZ CJEI4@ EI4@ (2Z (+Z Bd;Z (3Z E@7 EI4@ (Z Bd;Z E@7 EI4@ 'Bd;Z 'Bd;Z (6Z E@7 CJE@7 (9Z

1e debe crear mutua e!clusi$n entre ' y  , para ello, se usa busy waitin$, ya que los c$digos de ' y  son cortos, y la espera es muy peque5a. /a lista de procesos en espera (cuando ago '), se puede implementar de diferentes formas. Examen febrero 200: El semáforo es un buen mecanismo !ara obtener la exclusi*n mutua entre dos !rocesos/ Ex!li.ue brevemente !or.ue si las o!eraciones ' y  no se e ecutan en forma at*mica !uede no !ro!orcionarse la exclusi*n mutua/ es!uesta:


147

FING - UDELAR waitBs;T

si Bs & 0; entonces s :T s D FZ sino detenerXtareaZ fin siZ si$nalBs;T si BhayXtareaXdetenida; entonces reanudarXtareaZ sino s :T s S FZ fin siZ (emáforos no binarios: F; Henemos una variable com8n s5 en si$nal un incremento de s y en wait un decremento de s/ Nay !roblemas cuando una tarea incrementa concurrentemente con otra tarea una variable com8n/ Entonces si el incremento o decremento son divisibles hay !roblemas a .ue esa instrucci*n !uede consistir de varias instrucciones de má.uina/ 2; (i su!onemos .ue el incremento y el decremento de s son indivisibles5 !ero wait y si$nal divisibles tambi-n hay !roblemas !ues !uede darse a la vez la !re$unta del valor de s y el decrementoincremento de la variable/ Entonces !uede darle .ue s es mayor .ue cero y a la vez estarse decrementando y .uedar menor .ue cero cuando va a eecutar la o!ci*n del if/ Jtra forma de verlo es haciendo el entrelaza do de wait con wait5 wait con si$nal o si $nal con si$nal/ Examen febrero 200: 1n !roceso A recibe datos !or la red y lo escribe en una zona de memoria/ 1n !roceso  debe im!rimir !or !antalla cada uno de los datos recibidos !or A/ Ex!li.ue si e l si$uiente c*di$o resuelve el !roblema/ (ema!hore ready T 0Z WhileBH1E; Y (ema!hore $o T 0Z 'B$o;Z WhileBH1E; Y Co!iarXdatosB;Z %eerXredB;Z Bready;Z vB$o;Z 4m!rimirB;Z !onerXdatosB;Z \ 'Bready;Z \ es!uesta: @o lo resuelve 'odr?a ocurrir .ue Co!iarXdatos se eecutara a la vez e incluso antes .ue !onerXdatos 'or eem!lo la !rimera vez !odr?a darse esta secuencia de eecuci*n: B$o; 'B$o; Co!iarXdatosB; !onerXdatos

:=&;&= 7lo8ueos mutuos e inanici*n 1e puede llegar a dar el caso en que dos o m%s procesos esperen indefinidamente la ocurrencia de un suceso. -stos procesos est%n en bloqueo mutuo. $%emplo'

'F ejecuta Es!eraB(; , y '2 ejecuta Es!eraB,; , '2 no va a P1 P2 poder continuar asta que 'F no ejecute (eMalB,; , y de la Espera(S) Espera(Q) misma forma, 'F no puede continuar asta que '2 ejecute Espera(Q) Espera(S) (eMalB(;. /os dos procesos est%n en bloqueo mutuo. . . Gtro problema es la inanici*n que es cuando algunos . . procesos esperan indefinidamente dentro del sem%foro. . . Puede suceder si la lista de espera del sem%foro es /7G. Señal(Q) Señal(S) Señal(S) Señal(Q)


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FING - UDELAR

:=&;&; SemCforos inarios -n el caso anterior, el sem%foro es llamado de conteo porque su valor puede tomar cualquier valor entero. /os sem%foros binarios solo pueden tomar los valores 3 y @. -s posible implementar un sem%foro de conteo, utilizando sem%foros binarios. 1e ar"a de la forma8 $structura (S2' var

(F: (eminZ (2: (eminZ C: inte$erZ

$spera (S2'

SeHal(S2'

Es!era B(F;Z CDDZ if BC _ 0; Y (eMal B(F;Z Es!era B(2;Z \ (eMal B(F;Z

Es!era B(F;Z CSSZ if BC &T 0; (eMal B(2;Z else

(eMal B(F;Z

Examen febrero 2006: ¿,u- son y !ara .u- sirven los semáforos binarios" 4m!lemente semáforos binarios con monitores/ es!uesta: ty!e binXsemaforo: monitorZ var ocu!ado : booleanZ noXocu!ado : conditionZ !rocedure waitZ be$in if Bocu!ado; then noXocu!ado/waitZ ocu!ado :T trueZ end !rocedureZ !rocedure si$nalZ be$in ocu!ado :T falseZ noXocu!ado/si$nalZ end !rocedureZ be$in ocu!ado :T falseZ end binXsemaforoZ er secuencia : 'F inXsemaforo/waitZ

'2 binXsemaforo/waitZ

inXsemaforo/si$nalZ a/ 'F hace wait5 como no esta ocu!ado !one ocu!ado en true y si$ue/ b/ '2 hace wait5 como esta ocu!ado hace wait sobre la variable noXocu!ado y .ueda es!erando/ c/ 'F hace si$nal5 !one ocu!ado en false y hace un si$nal sobre noXocu!ado/ Entonces '2 .ue estaba es!erando en la condition noXocu!ado se des!ierta y !one ocu!ado en true y entraZ


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FING - UDELAR

8.K Problemas cl3sicos de sincroni!aci-n 13.5.1 El problema del buffer

+ontamos con un proceso productor que almacena en un buffer , y con un proceso consumidor, que consume del buffer . 7uffer infinito' P;G+-&U;- Prod ;-P-A# P(s)\ Agregar(Buffer.dato)\ J(s)\ J(n)\ G;-J-;

B-K7D

-D&

P;G+-&U;- +ons ;-P-A# P(n)\ P(s)\ 1acar (Buffer.dato)\ J(s)\ G;-J-;

7D7# (n, 3)\ 7D7# (s, @)\ +GB-K7D Prod\ Prod\  +ons\ +ons\  +G-D&

7uffer finito' P;G+-&U;- Prod ;-P-A# P(l)\ P(s)\ Agregar(Buffer.dato)\ J(s)\ J(n)\ G;-J-;

B-K7D

-D&

P;G+-&U;- +ons ;-P-A# P(n)\ P(s)\ 1acar (Buffer.dato)\ J(s)\ J(l)\ G;-J-;

7D7# (n, 3)\ 7D7# (s, @)\ 7D7# (l, tam[buff)\ +GB-K7D Prod\ Prod\  +ons\ +ons\  +G-D&

13.5.2 El problema de los lectores y escritores

Un objeto de datos se comparte entre procesos, los cuales pueden leer o escribir. 1i dos lectores acceden simult%neamente no pasa nada malo, sin embargo si un


150

FING - UDELAR

escritor y otro proceso (lector o escritor) acceden simult%neamente, el resultado puede ser err$neo. ay dos planteos. -l primero es el de no tener esperando a ning*n lector a menos que el escritor ya est' escribiendo. -l segundo quiere que apenas aya un escritor, realice su escritura lo antes posible. P;G+-&U;- /ector ;-P-A# P(mute!)\ +ont/eerMM\ 7f +ont/eer  @ ten P(esc)\ J(mute!)\ /--;

P;G+-&U;- -scritor ;-P-A# P(esc)\ -1+;7B7; J(esc)\ G;-J-;

+ont/eer66\ if +ont/eer  3 ten J(esc) J(mute!)\ G;-J-;

B-K7D

-D&

7D7# (esc, @)\ 7D7# (mute!, @)\ 7D7# (l, tam[buff)\ +GB-K7D /ect\ /ect\  -sc\ -sc\  +G-D&

13.5.3 El problema de los fil ó sofos

ay cinco fil$sofos que se pasan la vida pensando y comiendo. +omparten una mesa circular rodeada por cinco sillas, con un plato con arroz para cada uno. Adem%s ay cinco palillos cinos individuales. +uando el fil$sofo piensa, no interact*a, pero cuando siente ambre, trata de tomar dos palillos para comer, y obviamente no puede tomar un palillo que est' en manos de sus colegas. +uando termina de comer deja ambos palillos sobre la mesa y comienza a pensar otra vez. Una forma es representar cada palito con un sem%foro.


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FING - UDELAR P;G+-&U;- il$sofo (7 8 7nteger) izq  7\ der  (7 M @) mod F\ ;-P-A# P-D1A;\ P(#enedor(izq))\ P(#enedor(der))\ +G<-;\ J(#enedor(der))\ J(#enedor(izq))\ G;-J-; -D& il$sofo B-K7D

-D&

#enedor88array(3..4) of 1-
-sta posibilidad no permite que dos vecinos coman simult%neamente, pero puede generar bloqueos mutuos, por ejemplo si todos sienten ambre a la vez y toman su palillo izquierdo. Algunas formas de solucionarlo son8 Permitiendo que solo cuatro fil$sofos se sienten a la vez 1olo permitir que tome los palillos, cuando los dos est%n disponibles (tom%ndolos dentro de una secci$n cr"tica) 1oluci$n asim'trica, donde los fil$sofos pares toman primero el de la dereca, y los impares primero el de la izquierda. Solo cuatro fil*sofos a la ve>' P;G+-&U;- il$sofo (7 8 7 nteger) izq  7\ der  (7 M @) mod F\ ;-P-A# P-D1A;\ P(+omedor)\ P(#enedor(izq))\ P(#enedor(der))\ +G<-;\ J(#enedor(der))\ J(#enedor(izq))\ J(+omedor)\ G;-J-; -D& il$sofo B-K7D

-D&

#enedor88array(3..4) of 1-

152

FING - UDELAR

13.6 Regiones cr í ticas /os sem%foros pueden dar pie a errores de temporizaci$n que ocurren cuando se dan ciertas secuencias de ejecuci$n espec"fica. Para reducir la posibilidad de ocurrencia de estos errores se an introducido varias construcciones en los lenguajes de alto nivel, la re$i*n cr?tica . 1uponemos que un proceso consiste en algunos datos locales y un programa secuencial que puede operar sobre esos datos. 1olo el programa secuencial de un proceso puede acceder a sus datos, o sea, que no puede acceder directamente a los datos locales de otro proceso. /os procesos si pueden compartir datos globales. /a forma de acer esto es8 1i tengo una variable %, que puedo cambiar, debo tener otra variable  global. 1olo puede accederse a v, cumpliendo el enunciado region v 4hen  do (. +uando el proceso intenta acceder a v, debe cumplir B para lograr ingresar a la secci$n cr"tica. -sta soluci$n de todas formas, no contempla algunos problemas de sincronizaci$n, aunque reduce su n*mero. 13.7 Monitores Un monitor se caracteriza por un conjunto de operadores definidos por el programador. +onsiste en declaraci$n de variables cuyos valores definen el estado de un ejemplar del tipo, as" como los cuerpos de procedimientos o funciones que implementan operaciones con el tipo. %a sintaxis es: type nombreXmonitor T monitor

declaraci*n de variables procedure entry 'F B///; egin  endJ procedure entry '2 B///; egin  endJ

 procedure entry 'n B///; egin  endJ egin

c*di$o de inicializaci*n end&

Un procedimiento definido dentro de un monitor s$lo puede acceder a las variables definidas dentro del monitor, por lo tanto el programador no necesita codificar la restricci$n de sincronizaci$n. /a construcci$n del monitor garantiza que s$lo un proceso a la vez puede estar activo\ sin embargo esta construcci$n todav"a no logra modelar algunos esquemas de sincronizaci$n. /a construcci$n condici*n proporciona dicos mecanismos


153

FING - UDELAR var x5 y : condici*nZ

y las *nicas operaciones que puede invocar x , son x/es!era y x/seMal, donde x/seMal, reanuda uno y solo un proceso suspendido, y si no ay ninguno, no tiene efecto.

Monitor

Monitor con %ariables de condici-n

cola de ingreso

cola de ingreso

datos compartidos colas asociad as a x, y condicio nes

o i c a s r e e n p o

datos compartidos x y

o i c a s r e e n p o

código de inicializació n código de iniciación

1i ' y , est%n asociados a x , y ' ejecuta x/seMal, , renuda su ejecuci$n, por lo tanto ' debe esperar. +uando ' ejecuta x/seMal, inmediatamente sale del monitor, por lo tanto , tambi'n reanuda de inmediato. ?il*sofos comensales' var estado : array `0//+ of B!ensando5 hambriento5 comiendo;Z

donde un fil$sofo puede estar comiendo, solo si no lo acen sus vecinos. #ambi'n se necesita declarar8 var mismo : array `0//+ of condici*nZ

por la cual puedo retardar al fil$sofo i si tiene ambre, pero no puede obtener los palillos. type fil*sofosXcomensales T monitor var estado : array `0//+ of B!ensando5 hambriento5 comiendo;Z var mismo : array `0//+ of condici*nZ procedure entry tomar Bi : 0//+;Z egin

estadoì :T hambrientoZ !robarBi;Z if estadoì _& comiendo then mismoì/es!eraZ endJ


154

FING - UDELAR procedure entry dear Bi : 0//+;Z egin

estadoì :T !ensandoZ !robarBi S + mod 3;Z !robarBi S F mod 3;Z endJ procedure entry !robar B# : 0//+;Z egin if estado`#S+ mod 3 _& comiendoZ and estado`# T hambrientoZ and estado`#SF mod 3 _& comiendoZ then egin

estado`# :T comiendoZ mismo`#/seMalZ endJ endJ egin for i:T 0 to + do estadoì :T !ensandoZ end&

+ada fil$sofo antes de comenzar a comer, debe invocar la operaci$n tomar. -l proceso se puede suspender, y una vez que la operaci$n tiene '!ito, el fil$sofo puede comer. A continuaci$n el fil$sofo invoca dear y puede comenzar a pensar. -sto soluciona que dos vecinos no est'n comiendo simult%neamente, y que no ocurren bloqueos mutuos, pero un fil$sofo podr"a morir de ambre. Gtro problema es el orden de reanudaci$n de procesos suspendidos por x , si alguno ejecuta x/seMal. Una forma de acerlo es con +1. "roductor consumidor' const tamaMo F+

=onitor buffXfinito var

b: array `0//tamaMo of integer Z n5 in5 out: integer Z nolleno5 novacio: conditionZ ; procedure A$re$o Bv: integer egin if Bn TT tamaMo S F; then nolleno/waitB; endif

bìn T vZ in T Bin S F; mod BtamaMo S F;Z nSSZ novacio/si$nalB;Z end

; procedure (aco Bv: integer egin if Bn TT 0; then novacio/waitB;


155

FING - UDELAR endif

v T bòutZ out T Bout S F; mod BtamaMo S F;Z nDDZ nolleno/si$nalB;Z end egin

n T 0Z in T 0Z out T 0Z end

0ector $scritor' program %ectorXEscritor

=onitor %EZ var

lect : integer Z esc : ooleanZ o#leer5 o#escribir : conditionZ procedure comXlect if Besc or @onEm!ty Bo#escribir;; then

o#leer/waitZ endif

lectSSZ o#leer/si$nalZ end procedure finXlect

lectDDZ if Blect T 0; then o#escribir/si$nalZ endif end procedure comXesc if Blect _& 0 or esc; then

o#escribir/waitZ endif

esc T trueZ end procedure finXesc

esc T falseZ if B@onEm!ty Bo#escribir;; then o#escribir/si$nalZ else

o#leer/si$nalZ endif end


156

FING - UDELAR egin

lect T 0Z esc T falseZ end procedure %ectura

comXleer %EE finXleer end procedure Escribir

comXesc E(C44 finXesc end egin coegin

EscribirZ EscribirZ  %eerZ %eerZ  coend end Examen marzo 200+: En el contexto de monitores5 cuando un !roceso eecuta un si$nal sobre una condici*n5 y hay un !roceso es!erándola5 ¿.u- debe resolverse y .u- !ol?ticas !ueden tomarse !ara ello"

13.8 Sincronizaci ón en Solaris 2 Antes de 1olaris , el sistema implementaba las secciones cr"ticas estableciendo el nivel de interrupci$n, a un valor tanto o m%s alto que cualquier interrupci$n que pudiera modificar los mismos datos. 1olaris , se dise5$ con miras a ofrecer capacidades de tiempo real, ser miltiilado y manejar multiprocesadores. 1i ubiera seguido utilizando secciones cr"ticas, el desempe5o ubiera sufrido una degradaci$n considerable, pues el n*cleo se abr"a convertido en un cuello de botella. 1olaris  emplea mutex ada!tativos , que inicialmente es un sem%foro est%ndar implementado como cerradura de giro. 13.9 Transacciones at ómicas /a mutua e!clusi$n de las secciones cr"ticas asegura que estas se ejecutar%n at$micamente. 13.9.1 Modelo del sistema

Una colecci$n de instrucciones que realiza una sola funci$n l$gica, es una transacci$n. Un aspecto importante es la preservaci$n de atomicidad. Una transacci$n es una unidad de programa que accede y actualiza datos. -s una secuencia de operaciones leer y escribir que termina con una operaci$n confirmar si termin$ con '!ito, o abortar, si ubo error o un fallo del sistema.


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Una transacci$n abortada podr"a aber modificado datos, por lo tanto, esos datos deben ser restaurados\ se revierte la operaci$n. Una de las obligaciones del sistema es garantizar esa propiedad. /a forma que utiliza el sistema para garantizar la atomicidad depende del medio de almacenamiento. ●

●

●

Almacenamiento %ol3til: /a informaci$n casi nunca sobrevive a una

ca"da del sistema. Un ejemplo es la memoria principal o el cache. Almacenamiento no %ol3til: /a informaci$n por lo regular sobrevive a la ca"da del sistema. Un ejemplo son los discos o cintas magn'ticas. Almacenamiento estable8 /a informaci$n nunca se pierde.

13.9.2 Recuperaci ón basada en bit ác oras

-l sistema mantiene en el almacenamiento estable una estructura de datos llamada bitácora , donde cada registro, describe una sola operaci$n de escritura, y tiene los siguientes campos8 ● ● ● ●

Dombre de la transacci$n Dombre del dato Jalor antiguo del dato Jalor nuevo del dato

y tambi'n almacena #i inicia_ y #i confirma_ que controla el inicio de la escritura y el fin e!itoso. Dunca podemos permitir que se actualice un dato en una transacci$n, antes de registrarlo en la bit%cora, por lo tanto se requieren dos escrituras f"sicas por cada escritura l$gica. -l algoritmo de recuperaci$n emplea dos procedimientos8 desacer (#i) y reacer (#i), las cuales deben ser idempotentes para garantizar un comportamiento correcto. /a transacci$n #i se desace, si la bit%cora contiene #i inicia_ y no ● contiene #i confirma_. 1i contiene las dos, la transacci$n debe reacerse. ● 13.9.3 Puntos de verificaci ón (checkpoints)

+uando ocurre un fallo, se necesita consultar la bit%cora, para ver que transacciones reacer, y cuales desacer, pero en un principio ay que e!aminarla toda. -sto tiene dos desventajas8 @. -l proceso de b*squeda consume muco tiempo. . /a mayor parte de las transacciones que deben reacerse ya actualizaron los datos que ay que modificar. Para reducir gastos e!tra se introduce el concepto de cecNpoint, que realiza la secuencia de acciones siguiente8 @. Krabar en almacenamiento estable los registros de la bit%cora que est%n en almacenamiento vol%til. . Krabar en el almacenamiento estable todos los datos modificados que residen en almacenamiento vol%til.


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2. Krabar un registro de bit%cora chec#!oint _ en almacenamiento estable. +uando ocurra un fallo, vamos a reacer y desacer las transacciones que fueron ecas despu's del *ltimo cecNpoint. 13.9.4 Transacciones at óm icas concurrentes

/as transacciones deben ser at$micas, y esto se realiza ejecutando cada transacci$n dentro de una secci$n cr"tica, usando sem%foros. -sto soluciona el problema pero es demasiado restrictivo, puesto que ay transacciones que si se pueden ejecutar concurrentemente. T0 leer(A) escribir (A) +onsideramos un sistema con dos datos A y , y las transacciones H 0 y H F que leen y escriben. 1i las leer (B) ejecutamos at$micamente ser"a escribir (B) 13.9.4.1 Seriabilidad

T1



leer (A) escribir (A) leer (B) escribir (B)

-ste plan de ejecuci$n at$mica se lo denomina plan serial. -n este caso la operaci$n escribirBA; de H 0 est% en conflicto con la operaci$n leerBA; de H F, en cambio, no lo est% con la leerB; de H F. +uando dos operaciones no est%n en conflicto se las puede intercambiar, creando un nuevo plan. Gbtenemos8 +F leer(A) escribir (A) leer (B) escribir (B)

+ leer (A) escribir (A) leer (B) escribir (B)

13.9.4.2 Protocolo de cerraduras

Una forma de asegurar la seriabilidad, es asociar a cada dato una cerradura, y cada transacci$n se debe regir por un protocolo de cerraduras. ay dos modos8 $ompartido: H i Puede leer el dato pero no escribirlo. ● &7clusi%o: H i puede leer y escribir el dato. ● -n este caso, no aseguramos la seriabilidad. Un protocolo que si lo ace es el !rotocolo de cerraduras de dos fases , pero en este caso no aseguro la ausencia de deadlocN. /as fases son8

159

FING - UDELAR ●

pero no obtener.

13.9.4.3 Protocolos basados en marcas de tiempo

-n los protocolos anteriores, el orden de cada par de transacciones en conflicto, se determina en tiempo de ejecuci$n. Gtro m'todo para mantener la seriabilidad consiste en escoger con anticipaci$n un ordenamiento. -l ordenamiento por marcas de tiempo, asigna a cada transacci$n una marca de tiempo antes de que se ejecute, y si m%s adelante entra otra transacci$n, a la *ltima se le asigna una marca de tiempo mayor. Para acerlo ay dos m'todos8 Utilizar el reloj del sistema como marca de tiempo. -ste m'todo no ● funciona en procesadores que no comparten el mismo reloj. Utilizar un contador l$gico. ● A cada dato  se le asignan dos valores de marca de tiempo8 <#6-()8

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14 Ada Griginalmente dise5ado para aplicaciones militares, Ada es un lenguaje de prop$sito general que puede ser usado para cualquier problema. #iene una estructura de bloque y un mecanismo de tipo de datos igual que Pascal, aunque con e!tensiones para aplicaciones de tiempo real y distribuidas. 14.1 Un poco de historia -n los W3Rs ubo inter's del &epartamento de &efensa de -.U.A. para desarrollar un lenguaje sencillo para usar en sistemas de tiempo real incrustados. Pascal fue el punto de partida para el dise5o de A&A pero el lenguaje resultante es muy diferente en mucos aspectos. Ada es m%s e!tenso, m%s complejo, permite ejecuci$n concurrente, control en tiempo real de la ejecuci$n, manejo de e!cepciones y tipos de datos abstractos. 14.1.1

Pequeñ a descripci ón del lenguaje

Ada esta eco para soportar la construcci$n de grandes programas. Un programa en Ada esta ordinariamente dise5ado como una colecci$n de grandes componentes de software llamados 9'ac#a$es 9 cada uno representando un tipo de dato abstracto o un conjunto de objetos de datos compartidos entre subprogramas. Un programa en Ada consiste de un procedimiento singular que sirve como programa principal, el cual declara variables, y ejecuta sentencias, incluyendo llamadas a otros subprogramas. Un programa Ada puede envolver tareas que se ejecuten concurrentemente, si esto pasa entonces estas son inicializadas directamente por el programa principal y forman el nivel superior de la estructura del programa. Ada provee un gran n*mero de tipos de datos, incluyendo enteros, reales, enumeraciones, booleanos, arreglos, records, cadena de caracteres y apuntadores. Abstracci$n y encapsulaci$n de tipos de datos y operaciones definidas por el usuario son provistas por la caracter"stica de 9pacNage9. -l control de secuencia dentro de un subprograma utiliza e!presiones y estructuras de control similares a Pascal. /a estructura de control de datos de Ada utiliza la organizaci$n de estructura de bloque est%tica como en Pascal y adem%s el lenguaje prosee llamadas a referencias no est%ticas. &esde que los programas pueden ejecutar tareas concurrentemente, estos pueden correr subprogramas independientemente uno del otro. 14.2 Tipos de datos primitivos 14.2.1 Variables y Constantes ●

●

●

+ualquier objeto de datos puede ser definido como variable o como constante. +ualquier declaraci$n que empiece con la palabra constant es una constante y se deber% asignar un valor el cual no se podr% cambiar en la ejecuci$n. 1i se omite la palabra constant la misma declaraci$n define un tipo de dato variable, a la cual se le debe asignar un valor inicial y el cual se podr% cambiar en la ejecuci$n.

$%emplo'


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=ax(ize constant inte$er :T 300Z Current(ize inte$er :T 0Z

14.3 Tipos de Datos Num éricos ● ● ●

-nteros, punto6flotante, punto6fijo y los tipos de datos b%sicos. &eclaraciones son similares que en Pascal usando los atributos range (para enteros) y digits (para flotantes) los cuales especifican el rango de valores que podra tomar el tipo de dato.

$%emplo' type 7ayJfgear is range F//66Z DD un valor entero de F a 66 =yirhtday: 7ayJfgear :T 2FUZ DD =yirthday inicializada a 2FU type esult is digits 9 DD flotante de 9 di$itos Anwer: esult :T/F9Z DD varible de 9 di$itos/

/os tipos 4nte$er y float est%n predefinidos en el paquete est%ndar como8 type inte$er is range im!lementation definedZ

ty!e float is di$its im!lementation definedZ 14.3.1 Enumeraciones

-numeraciones deben de definirse usando un estilo como Pascal de definici$n e implementaci$n. -jemplo8 type class is B>resh5 (o!h5 )unior5 (enior;Z

/a representaci$n en la ejecuci$n usa el n*mero de posici$n para cada valor de la literal, empezando con 3 para el primer valor listado, @ para el segundo etc. 14.3.2 Tipos Caracter y Boleano •

-stas son definidas en el paquete est%ndar para ser enumeraciones espec"ficas.

14.3.3 Tipo de Dato Apuntador •

•

Un tipo apuntador llamado access, junto con una funci$n primitiva ne0, crean un nuevo objeto y regresa un apuntador a este, el cual debe ser asignado a una variable del tipo access. Una variable no pude ser directamente declarada como access en vez de esto se ace lo siguiente8

•

ty!e accesXty!ename is access ty!enameZ

y la variable deber ser declarada como un tipo de dato definido. #odas las variables del tipo access tienen el valor @1%% por default. •


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FING - UDELAR •

Un bloque de almacenamiento puede ser solicitado para cualquier tipo de dato usando la sentencia8 for accesXty!ename use ex!resionZ

donde e!presi$n es el tama5o del bloque a pedir. 14.4 Tipo de datos estructurados 14.4.1 Vectores y Arreglos •

Un arreglo de objetos puede ser declarado con cualquier n*mero de dimensiones, cualquier rango y cualquier tipo de componente. $%emplo'

(220, 2M0) of float; TableJ arra

crea una matriz de @3 O 3 de n*meros reales\ &efinici$n de tipos puede ser utilizada para crear clases de cualquier tipo de arreglo de objetos. •

$%emplo'

(inteer range #$,inteer range #$) of float; tpe atri is arra donde los  _ indican un campo que se debe llenar. 7nicializaci$n8 cualquier arreglo deber de ser inicializado en su declaraci$n. 14.4.2 Cadena de Caracteres •

/as cadenas de caracteres son tratadas como un tipo de vector predefinido usando otros dos tipos predefinidos positive (enteros) y caracter (enumerando los caracteres definidos en el paquete estandar). type strin$ array B!ositive range KL ; of characterZ $%emplo'

y:trin J strin(2N0); 14.4.3 Tipo de Dato Archivo •

•

•

Arcivos y operaciones de entrada6salida son definidos como tipos de datos abstractos, usando paquetes predefinidos. -l programador de Ada mira los arcivos como tipo de datos que en su estructura interna est%n ocultos por ser encapsulados con los paquetes est%ndares. -!isten diferentes tipos de arcivos (te!to,enteros,reales,etc..) cada paquete tiene su propio tipo de arcivo ejemplo en #-O#[7G ay un tipo para arcivos secuenciales o solo te!to en /GA#[7G ay un tipo de dato arcivo para flotantes etc. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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14.4.4 Tipo de Dato Definido Por El Usuario • •

/os tipos de datos record en Ada son similares que en Pascal. -n Ada a diferencia de Pascal un objeto record debe de ser definido primero usando una definici$n de tipo, para definir la estructura de record y despu's dando la declaraci$n de la variable usando el tipo de nombre. $%emplo'

tpe 8irth'ay is record

onthJ strin (2N) J= .Cun.; %ayJ inteer rane 2N2 J= 2O; &earJ inteer rane 2PQ0M0Q0 J= 2PR0;

end record

cada variable del tipo Birtday esta inicializada a 9jun9 @W @T>3. 14.5 Control de secuencia /a ejecuci$n de Ada esta orientada a sentencias como G;#;AD y Pascal. 14.5.1 Expresiones •

•

•

-!presiones en Ada permiten primitivas y funciones definidas para ser combinadas en secuencias de manera usual. Dotaci$n infija es usada para la aritm'tica binaria, relacional y operaciones boleanas. Dotaci$n prefija es usada para operaciones unarias. (M,6, y DG#), los par'ntesis deben de utilizarse para agrupar operaciones y la precedencia es la misma que en Pascal.

14.5.2 Sentencias •

•

/as estructuras de secuencias de control de sentencias son las usuales sentencias condicionales (if y case) y las sentencias de iteraci$n (loop). #odas las sentencias de control terminan con las sentencia end seguida con la palabra de dica sentencia ejem8 end if, end loop.

Asignacion8 /a asignaci$n es similar que en Pascal. /a asignaci$n completa de un grupo de valores a una variable record puede ser posible. $%emplo'

y%ay J= (.:#7.,2M,2POQ); y%ay J= (&ear = 2POQ, onth =.:#7., %ay = 2M);

14.6 Sentencias condicionales 14.6.1 Sentencia If •

/a sentencia if tiene la siguiente forma8


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boolena epresion ten if

1 secuencias 'e sentencias boolean epresion ten elsif 1 secuencia 'e sentencias boolean epresion ten elsif 1 secuencia 'e sentencias  else

1 secuencia 'e sentencias

end if

14.6.2 Sentencia CASE •

/a forma general de case es8 case epresion is wen choice S S choice = secuencia 'e sentencias; wen choice S S choice = secuencia 'e sentencias;



wen others =

secuencia 'e sentencias;

end case ;

+ada coice indica o uno o varios rangos posibles de valores para la e!presi$n al principio de la sentencia. $%emplo'

case Ira'e5e@el is wen /resh = sentencias; wen :oph S Tunior = secuencias; wen :enior = secuencias;

en' case;

14.7 Sentencias de iteraci ón 14.7.1 Sentencia Loop •

/a sentencia b%sica de iteraci$n tiene la siguiente forma. loop 6 secuencia de sentencias end loop

•

•

/a forma de terminar una sentencia de iteraci$n loop se ace e!pl"citamente con las sentencias eit , goto o return. 1entencias controladas pueden ser creadas con las sentencias 4hile y for .

wile boolean epresion

/// con or ay dos formas.


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for @ariable name in 'iscrete_rane; for @ariable name in re!erse 'iscrete_rane;

14.8 Subprogramas y manejo de almacenamiento Procedimientos, funciones y tareas son los tres tipos de subprogramas que Ada maneja. 14.8.1 Funciones y Procedimientos •

Un procedimiento o funci$n tiene la forma de una especificaci$n8 procedure procname(formal1parameters) is  function functioname(formal1parameters) return result_type

is

seguida por un cuerpo como sigue 8 6 secuencia de declaraciones begin

6secuencia de sentencias

exception

6 manejadores de e!cepciones

end •

•

•

/os subprogramas pueden ser recursivos. /a salida normal de un procedimiento o tarea es con la ejecuci$n de return \ -n el enunciado formal6parameters deben de ir los tipos de datos con su nombre y su forma de transmisi$n para ser usado. -!cepciones8 Al final de cada unidad de programa debe de especificarse un manejador de e!cepciones. -!isten varias e!cepciones predefinidas en los paquetes est%ndares, todas las dem%s son declaradas usando la siguiente sentencia8 eceptionname: exception

Un manejador de e!cepciones empieza con el nombre de la e!cepci$n que este maneja, seguida con una secuencia de sentencias que toman la acci$n apropiada para manejar dica e!cepci$n. eception when eception_name S  S eception_name = secuencia 'e sentenecias  when others = secuencia 'e sentencias donde cada secuencia de sentencias deber% manejar una o mas e!cepciones nombradas. •

#areas8 Una tarea es un subprograma que puede ejecutarse concurrentemente con otras tareas. /a definici$n de una tarea tiene una forma general, tiene una especificaci$n que permite a otras tareas comunicarse entre si y un cuerpo de •


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FING - UDELAR

implementaci$n. Usando un tipo de tarea, m*ltiples tareas pueden ser creadas con una definici$n singular. taskname is task

1'eclaraciones 'e entra'a

end taskname is task bod

1secuencia 'e 'eclaraciones

begin

1secuencia 'e setencias eception 1maneCa'or 'e ecepciones end; 14.9 Abstracci ón y encapsulamiento 14.9.1 •

•

Paquetes

/a definici$n de un paquete tiene dos partes una especificaci$n y un cuerpo./a especificaci$n contiene la informaci$n necesaria para la correcta utilizaci$n del paquete\ el cuerpo proveee la encapsulaci$n de variables y subprogramas que son llamados desde afuera. /a parte visible de un paquete (todo lo que procede a la palabra pri%ate) define que es lo que el usuario final de el paquete puede usar en un programa. package packaename is

1'eclaraciUn 'e @ariables

pri!ate

1'efiniciUn completa 'e 'atos pri@a'os ; end packaename is packages bod 1'efiniciones 'e obCetos y subproramas

'efini'os arriba

begin

1sentencias para inicialiVar el paDuete cuan'o es por primera @eV instancia'o exception

1 maneCa'or 'e ecepciones ; end 14.10 Hola Mundo!! W @i Xolaa'a with et_>?; use et_>?; proce'ure %oit is proce'ure Xola(J in inteer) is bein if =M then put(.Xola un'ito.); else put (.$'ios un'ito.); en' if en' Xola; Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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yJ inteer; bein yJ=M; Xola(y); en' %oit; W a'a Xolaa'a WXola Hola undito

14.11 Ejemplos de procedimientos: 7roce'ure $lo () -- 5os task son como proce'imientos $:H   en' 8ein  en' $lo $:H 4no is entry i'ent + 2 () 7ue'en tener o no parYmetros en' 4no 7ue'e tener mYs citas (entryZs) 



$:H bo'y 4no is -- $ceptar citas $ccept i'ent2 () sentencias en' i'ent2 en' 4no $ccept i'ent2 ($J >3 inteer; 8J ?4 :trin; 6J >3?4 inteer)  en' $ccept -- >n@ocaciUn 4no >'ent2 (M, 7, ") 14.11.1 Alicia – Bernardo: $:H 7atio #3"& 7e'ir #3"& %e@ol@er #3% $:H 8?%& 7atio 8#I>3 loop $ccept 7e'ir; $ccept %e@ol@er; en' loop #3% 7atio


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Factorial:

7"?6#%4"# /actorial >: 7"?6#%4"# 7rint (>J >3 inteer) is separate; forma separa'a 7"?6#%4"# Iet (>J ?4 inteer) is separate; n, , y J inteer;

6ompila'o en



$:H ype :emifact is entry 3um (>J >3 inteer) entry "esulta'o (>J ?4 inteer) #3% :emifact $:H 8?%& :emifact is separate; $, 8 J :emifact; 8#I>3 Iet (3) ?bteno el nBmero 'el tecla'o $3um (3) 83um (312) $"esulta'o () 8"esulta'o (y) 7rint ( * y) #3% $:H 8?%& :emifact is uJ inteer; 8#I>3 $ccept 3um (>J >3 inteer) uJ= > en' 3um :emifactorial (u) Xay Due especificar este proce'imiento aparte $ccept "esulta'o (>J ?4 inteer) > = u; en' "esulta'o 



end Semifact

14.11.3

Productor – Consumidor:

$:H 8uff_:imple is entry 5eer (>J ?4 character) entry #scribir (>J >3 character) en' 8uff_:imple $:H 8?%& 8uff_:imple is nJ inteer J character 8#I>3 loop $ccept #scribir ($J >3 character) 'o J= $; en' #scribir $ccept 5eer ($J ?4 character) 'o $J= ; en' 5eer Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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en' loop en' 8uff_:imple $:H 7ro'uctor; $:H 8?%& 7ro'uctor is c2J character 8#I>3 loop 7ro'uce (c2) 8uff_:imple#scribir(c2) en' loop en' 7ro'uctor $:H 6onsumi'or; $:H 8?%& 6onsumi'or is c2J character 8#I>3 loop 8uff_:impleleer (c2) 6onsumir(c2) en' loop en' 6onsumi'or :#5#6 #spero por las 'os, sino hay solicitu', Due'a bloDuea'o esperan'o $ccept 5eer ($J ?4 character) 'o $J=  en' 5eer  -- 7ue'e haber muchas ?"  ?" $ccept #scribir ($J >3 character) 'o J= $ end !scri"ir 

1elect8

-l select primero eval*a las condiciones, y para las que dio #;U- se queda esperando. :elect when con'2  $ccept entra'a2  en' $ccept ?" when con'M  $ccept entra'aM  en' $ccept   




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FING - UDELAR

#5:# (*)  en' select (S) #ambi'n puedo poner G; ?en condn  !C delay s, y espera s segundos. 14.11.4

Semá foro:

$:H type :emaforo is entry >nit (>J >3 inteer); entry p; entry @; en' semaforo $:H bo'y semaforo is 3J inteer bein accept >nit (> J >3 inteer) 'o 3J= >; en' accept loop select when 30 = accept p; 3 = 3 [ 2; or accept @; 3 = 3 + 2; en' select en' loop en' semaforo 14.11.5

Productor – consumidor:

$:H 8uff_finito is entry sacar ('J?4 'ato) entry arear ('J >3 'ato) en' 8uff_finito $:H bo'y buff_finito is ma J constant J= M0 buffJ array (0ma) of 'ato ocupa'o, in, outJ inteer rane 0maJ=0 bein loop select when ocupa'o < ma = accept arear ('J >3 'ato) 'o buff (in)J= ' en' arear ocupa'oJ= ocupa'o + 2; inJ= (in + 2) mo' ma; or when ocupa'o  0 = accept sacar ('J ?4 'ato) 'o Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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FING - UDELAR

en' select en' loop en' buff_finito

'J= buff (out) en' sacar ocupa'oJ= ocupa'o [ 2; outJ= (out + 2) mo' ma;

-n ada, adem%s de poder declarar arrays de tareas, puedo declarar arrays de entradas. entry entra'aJ array (0200) eDui@ale aJ entry entra'a (0) entry entra'a (2)  entry entra'a (200)


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FING - UDELAR

15 Bloqueos mutuos (Deadlock) +uando un proceso A solicita un recurso que est% ocupado por otro proceso , pasa a un estado de espera. 1i  tambi'n est% en estado de espera, esperando un recurso que tiene A, los dos procesos est%n en deadloc# . 15.1 Modelo del sistema Un sistema consiste en un n*mero finito de recursos que deben distribuirse entre varios procesos que compiten. /os recursos se dividen en varios tipos, cada uno de los cuales consiste en cierta cantidad de ejemplares id'nticos (unidades de recursos). 1i un proceso solicita un ejemplar de un tipo de recurso, la asignaci$n de cualquier ejemplar del tipo, satisface la solicitud. Un proceso solo puede utilizar un recurso, siguiendo esta secuencia8 @. Solicitud: 1i la solicitud no puede atenderse de inmediato, el proceso debe esperar. . "so: -l proceso opera con el recurso. 2. iberaci-n: -l proceso libera el recurso. /a solicitud y liberaci$n, son llamadas al 1G. Una tabla del sistema registra si cada recurso est% libre o asignado. 1i un proceso solicita un recurso ocupado, se lo coloca en la cola de procesos que esperan ese recurso. /os recursos pueden ser f"sicos (impresoras, memoria, ciclos de +PU), o l$gicos (arcivos, sem%foros, monitores). 15.2 Caracterizaci ón de bloqueos mutuos -n un bloque mutuo, los procesos nunca terminan su ejecuci$n y los recursos del 1G quedan acaparados. 15.2.1 Condiciones necesarias

Gcurre bloqueo mutuo si se cumplen simult%neamente las cuatro condiciones siguientes8 @. Mutua e7clusi-n: Al menos un recurso debe adquirirse de forma no compartida, o sea, solo puede usarlo un proceso a la vez. 1i otro proceso lo solicita, debe esperar. . etener 6 esperar: &ebe e!istir un proceso que aya adquirido al menos un recurso y est' esperando para adquirir recursos adicionales, que ya fueron otorgados a otros procesos. 2. #o e7propiaci-n: /os recursos no se pueden arrebatar, es decir, la liberaci$n es voluntaria por parte del proceso que adquiri$ el recurso. 4. &spera circular: &ebe e!istir un conjunto Y'05 'F5  5 'n\ de procesos en espera tal que '0 espera un recurso adquirido por 'F, 'F espera uno adquirido por '2,  , 'n espera uno adquirido por P3. Examen diciembre 200: Ex!li.ue muy brevemente las condiciones necesarias !ara la existencia del blo.ueo mutuo B7eadloc#; en sistemas donde exista solo una instancia de cada ti!o de recurso/¿ Cuáles condiciones deber?a a$re$ar !ara .ue además de necesarias sean suficientes" es!uesta: %as condiciones son B!or más detalles ver libro;:


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FING - UDELAR Exclusi*n mutua etenci*n y es!era @o a!ro!iaci*n Es!era circular (i hay una sola instancia de cada ti!o de recurso estas condiciones son necesarias y suficientes/ Examen febrero 200: 7escriba las cuatro condiciones .ue5 si ocurren simultáneamente5 !ueden $enerar un deadloc#/

15.2 15 .2.2 .2 Gr Graf afo o de de asi asign gnac aci i ó ón de recursos

/os bloqueos mutuos se pueden describir con mayor precisi$n en t'rminos del $rafo de asi$naci*n de recursos del sistema . /os v'rtices son ' y  (procesos y recursos). Una arista de ' a  indica que el proceso espera el recurso, y una de  a ', indica que se asign$ el recurso al proceso. ' se identifica con un c"rculo,  con un cuadrado, y puntos adentro, donde cada punto es una unidad de de recurso. R1

R2

P1

P2

P3

R3 R4

+asos8 ● ●

#o contiene ciclos: Do e!iste bloqueo mutuo. Si contiene ciclos: ○ ○

1i los recursos solo tienen un *nico ejemplar, ay bloqueo mutuo 1i ay varios ejemplares, no necesariamente ay bloqueo.

15.3 Métodos para manejar bloqueos mutuos Usar un protocolo que asegure que el 1G nunca llegar% a deadloc# ● -l sistema entra en un bloqueo mutuo y se recupera ● &esentenderse del problema y acer como si nunca ocurrieran ● bloqueos (es lo que acen la mayor parte de los 1G) "revenci*n de lo8ueos mutuos' <'todos que garantizan que no se cumpla por lo menos una de las condiciones necesarias. $vitaci*n de lo8ueos mutuos' ;equiere proporcionar al 1G informaci$n

anticipada acerca de los recursos que el proceso va a solicitar y usar. +on esa informaci$n el 1G decide si el proceso va a esperar o no.

+uando el 1G no cuenta con ninguno de los dos algoritmos anteriores, pueden ocurrir bloqueos, los cuales deben ser detectados y revertidos, de otra forma, el 1G se deteriora asta dejar de funcionar. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

174

FING - UDELAR Examen marzo 200: En el contexto de deadloc#5 ex!li.ue la diferencia entre:  !revenci*n  detecci*n con recu!eraci*n del mismo es!uesta: %a !revenci*n consiste en ase$urarse de .ue al menos una de las condiciones necesarias de deadloc# no se cum!la/ 1n eem!lo es !revenir una es!era circular im!oniendo una ordenaci*n total de todos los ti!os de recursos5 si$uiendo un orden de numeraci*n ascendente5 y forzando .ue !ara obtener unidades de un mismo recurso sea emitida una 8nica solicitud/ %a detecci*n y recu!eraci*n no evita el deadloc#5 sino .ue examina el sistema !ara determinar si ha ocurrido5 !ara recu!erarse del mismo5 ya sea terminando uno o más !rocesos involucrados5 o ex!ro!iando recursos/

15.4 Evitaci ón de bloqueos mutuos Podemos tratar de que no se cumpla alguna de las condiciones necesarias para bloqueos mutuos. 15.4 15 .4.1 .1 Mut utu ua excl exclu usi ó n ón

1e debe cumplir mutua e!clusi$n para recursos no compartibles. Por ejemplo, dos o m%s procesos no pueden compartir una impresora, pero s" pueden compartir un arcivo de solo lectura. 15.4 15 .4.2 .2 Re Rete tene nerr y esp esper erar ar

1iempre que un proceso solicite un recurso, no debe retener otro. Una forma es que el proceso solicite y reciba todos los recursos antes de iniciar su ejecuci$n. Gtra forma es que pueda solicitar recursos solo cuando no tiene ninguno, para solicitar nuevos, suelto los que tengo. Por ejemplo si tengo un proceso que copia datos de una cinta al disco, y luego imprime los resultados en una impresora, con el primer m'todo, solicito la impresora al comienzo, para solo usarla al final, y mientras tanto, nadie la puede usar. +on el segundo m'todo, solicito solo la cinta y el arcivo de disco, y cuando termino con los dos, solicito nuevamente el arcivo de disco y la impresora. /as desventajas de los dos protocolos son que si mi proceso utiliza recursos que son muy solicitados, podr"a esperar indefinidamente a que todos se liberen para usarlos Binanici*n; . 15.4 15 .4.3 .3 No ex expr prop opia iaci ci ó ón n

1i un proceso tiene recursos solicitados, y solicita otro, que no se le puede asignar de inmediato, entonces todos los recursos que tiene se liberar%n impl"citamente. -s aplicable solo a recursos cuyo estado es f%cil de guardar. 15.4 15 .4.4 .4 Es Espe pera ra ci circ rcul ular ar

1e impone un ordenamiento total de los recursos y se e!ige que cada proceso los solicite en orden creciente de enumeraci$n. +uando se requieren varios ejemplares de un mismo recurso, se debe emitir una sola solicitud que los incluya a todos. Para pedir recursos con n*mero mayor, debo liberar los que ya tengo. Examen marzo 200: ¿,u- medidas de !revenci*n de deadloc# conoce" es!uesta: D Evitar retenci*n y es!era5 o >orzando a .ue los !rocesos soliciten todos sus recursos y le


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FING - UDELAR sean asi$nados antes de .ue comience su eecuci*n/ o J evitando .ue los !rocesos soliciten recursos s*lo cuando no tienen nin$uno asi$nado/ D Evitar no ex!ro!iaci*n5 o >orzando a .ue si un !roceso .ue retiene al$8n recurso solicita otro .ue no se le !uede asi$nar de inmediato5 entonces se le ex!ro!ian todos los .ue ya tiene/ o J si un !roceso BA; solicita un recurso y no está dis!onible5 sino .ue está asi$nado a otro !roceso B; .ue está es!erando recursos adicionales5 entonces se le .uita y se le asi$na a BA;/ D Evitar la condici*n de mutua exclusi*n5 o !or eem!lo utilizando un s!ooler !ara el acceso a una im!resora/ D Evitar es!era circular5 o %a mencionada en Ba;/ o J exi$ir .ue cuando un !roceso solicite un eem!lar recurso libere todo otro recurso .ue sea mayor en ordenamiento definido en Ba;/ Examen marzo 200: Ex!li.ue las dificultades asociadas a la ex!ro!iaci*n de recursos/ es!uesta: D 7ebe haber un critero a!ro!iado !ara seleccionar el !roceso al .ue se le ex!ro!iará/ D 7ebe determinarse el orden de de ex!ro!iaci*n !ara minimizar minimizar el costo/ D Es dif?cil hacer retroceder el !roceso !roceso al .ue se le ex!ro!ia hasta un estado se$uro y reiniciarlo/ Casi siem!re debe abortarse5 o el sistema debe conservar más informaci*n de estado de los !rocesos/ D 7ebe ase$urarse .ue los recursos .ue se se ex!ro!ien no sean siem!re los de un mismo !roceso5 !roceso5 !os!oniendo su terminaci*n en forma forma indefinida/ Examen diciembre 200+: 7escriba las + Bcuatro; condiciones necesarias .ue un sistema o!erativo debe $arantizar !ara !revenirse de .ue ocurra deadloc#/ es!uesta: =utua exclusi*n: al menos un recurso debe ad.uirirse de modo .ue no !ueda com!artirseZ es decir5 s*lo un !roceso a la vez !odrá usar ese recurso/ (i otro !roceso solicita ese recurso5 el !roceso solicitante deberá es!erar a .ue se haya liberado el recurso/ etener y es!erar: debe existir un !roceso .ue haya ad.uirido al menos un recurso y estes!erando !ara ad.uirir recursos adicionales .ue ya han sido asi$nados a otros !rocesos/ @o ex!ro!iaci*n: los recursos no se !ueden arrebatarZ es decir5 la liberaci*n de un recurso siem!re es voluntaria !or !arte del !roceso .ue lo ad.uiri*5 una vez .ue ha terminado su tarea/ Es!era circular: debe existir un conunto Y'05 'F5 ///5 'n\ de !rocesos tal .ue '0 está es!erando un recurso .ue fue ad.uirido !or 'F5 'F está es!erando un recurso .ue fue ad.uirido !or '25 ///5 'nDF está es!erando un recurso .ue fue ad.uirido !or 'n y 'n está es!erando un recurso .ue fue ad.uirido !or '0/

15.5 Prevenci ón de bloqueos mutuos /a prevenci$n de bloqueos, disminuye el rendimiento del sistema. 1e debe pedir informaci$n adicional para saber la forma en que se solicitar%n los recursos, y el 1G debe considerar los recursos disponibles, los ya asignados a cada proceso y las solicitudes y liberaciones futuras de cada proceso para decidir si la solicitud se puede satisfacer o debe esperar. Una forma es saber el n*mero m%!imo de recursos de cada tipo que se podr"a necesitar. -l estado de asi$naci*n de los recursos est% definido por el n*mero de recursos disponible y asignado, y las demandas m%!imas. 15.5 15 .5.1 .1 Est stad ado o seg segur uro o

Un estado es se$uro , si el sistema puede asignar recursos a cada proceso en alg*n orden, evitando bloqueos. -s seguro si e!iste una secuencia segura de


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FING - UDELAR

procesos, si no e!iste, el estado del sistema es inse$uro , pudiendo derivar en bloqueo mutuo. /a idea es asegurar que el sistema siempre permanecer% en un estado seguro, asi que antes de asignarle cualquier recurso, debo verificarlo. Jer ejemplo p%gina @= del 1ilberscatz. 15.5.2 15. 5.2 Alg Algori oritmo tmo de gra grafo fo de asi asign gnaci aci ó ón de recursos

+uando tenemos un solo ejemplar de cada tipo de recursos, podemos usar una variante del grafo de asignaci$n de recursos. Adem%s de la arista de solicitud y la de asignaci$n, tenemos la de reserva. Ja dirigida de ' a  e indica que ' podr"a solicitar  en un instante futuro. 1e representa con una l"nea discontinua. /os recursos deben reservarse a priori en el sistema, o sea que antes de iniciar la ejecuci$n, ya deben aparecer todas las aristas de reserva. /a solicitud de un recurso solo puede ser satisfeca si la conversi$n de una arista discontinua en continua (asignaci$n de recurso) no da lugar a ciclos. 15.5 15 .5.3 .3 Al Algo gori ritm tmo o del del ban banqu quer ero o

-l grafo de asignaci$n, no puede aplicarse a un sistema de asignaci$n de recursos con m*ltiples ejemplares de cada recurso. +uando un proceso entra al sistema, debe declarar el n*mero m%!imo de ejemplares de cada tipo de recursos que podr"a necesitar, el cual no puede e!ceder el total de recursos del sistema. +uando el usuario solicita un conjunto de recursos, el sistema debe determinar si la asignaci$n no lo deja en un estado inseguro. ay que mantener varias estructuras de datos para implementar este algoritmo. -llas son8 Disponible: Un vector de longitud m indica el n*mero de recursos ● disponibles de cada tipo. &isponible ` T #5 ay # ejemplares ejemplares disponibles del recurso ; j. M37.: Una matriz n ! m define la demanda m%!ima de cada proceso. ● unidades del =áx/ ì5  T # , el proceso i puede solicitar como m%!imo # unidades recurso . Asignaci-n: Una matriz n x m define el n*mero de recursos que se ● an asignado actualmente a cada proceso. Asignaci$n ì5  T # . -l proceso i tiene asignados actualmente # ejemplares ejemplares del recurso . #ecesidad: Una matriz n x m indica los recursos que todav"a le acen ● falta a cada proceso. /as estructuras de datos anteriores var"an en el tiempo, tanto en tama5o como en valor. Examen abril 200: En el contexto del al$oritmo del ban.uero: a; ¿ ,u- ventaas y desventaas !resenta " b; Considere la si$uiente situaci*n: Asi$nado =áximo A  C 7 A  C 7 '0 0 0 F 2 0 0 F 2 'F F 0 0 0 F 9 3 0 '2 F  3 + 2  3 6 ' 0 6  2 0 6 3 2 '+ 0 0 F + 0 6 3 6

7is!onible A  C 7 F 3 2 0


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FING - UDELAR F/ ¿ Está el sistema en estado se$uro " )ustifi.ue su res!uesta/ 2/ (i !ara 'F lle$a el re.uerimiento B05+5250;5 ¿ !uede ser satisfecho inmediatamente " )ustifi.ue su res!uesta es!uesta: b/F; erificamos si el sistema esta en un estado se$uro a!licando el al$oritmo Hrabao T BF535250; >in T Bfalse5 false5 false5 false5 false; @ecesidad T =áximo R Asi$nado T A  C 7 '0 0 0 0 0 'F 0 9 3 0 '2 F 0 0 2 ' 0 0 2 0 '+ 0 6 + 2 4niciamos el al$oritmo5 buscando una secuencia .ue muestre si el sistema esta en estado se$uro o no: F/D Ele$imos '05 @ecesidad0 _T Hrabao Hrabao T BF535250; S B0505F52; T BF53552; >in T Btrue5 false5 false5 false5 false; 2/D Ele$imos '25 @ecesidad2 _T Hrabao Hrabao T BF53552; S BF5535+; T B25556; >in T Btrue5 false5 true5 false5 false; /D Ele$imos '5 @ecesidad _T Hrabao Hrabao T B25556; S B056552; T B25F+5FF5; >in T Btrue5 false5 true5 true5 false; +/D Ele$imos '+5 @ecesidad+ _T Hrabao Hrabao T B25F+5FF5; S B0505F5+; T B25F+5F25F2; >in T Btrue5 false5 true5 true5 true; 3/D Ele$imos 'F5 @ecesidadF _T Hrabao Hrabao T B25F+5F25F2; S BF505050; T B5F+5F25F2; >in T Btrue5 true5 true5 true5 true; Como >inì T true !ara toda i5 entonces el si stema esta en estado se$uro/ %a secuencia obtenida es _'05 '25 '5 '+5 'F& b/2; erificamos si el sistema esta en un estado se$uro lue$o de hacer la asi$naci*n !edida !ara 'F5 B05+5250;/ En este caso la situaci*n es: Hrabao T BF535250; >in T Bfalse5 false5 false5 false5 false; @ecesidad T =áximo R Asi$nado T A  C 7 '0 0 0 0 0 'F 0 + 9 0 '2 F 0 0 2 ' 0 0 2 0 '+ 0 6 + 2 asta re!etir el al$oritmo anterior5 deando 'F !ara el final nuevamente/ En este caso tambi-n se cum!le .ue @ecesidadF _T Hrabao !or lo .ue lle$amos nuevamente a la misma secuencia valida/ El sistema !or tanto tambi-n esta en estado se$uro/ Examen diciembre 200: ¿,u- !uede decir de las si$uientes situaciones viendo los estados de las variables durante la eecuci*n del al$oritmo del ban.uero"/ )ustifi.ue la res!uesta muy brevemente/ CasoF: =atriz Asi$naci*n 2 F 0 F 2 0 0 2 0 (olicitud !roceso 2 0 F F =atriz 7is!onibilidad: F 2 F =atriz =áximos: 2 F F F + F 0 + 0 es!uesta:


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FING - UDELAR %a solicitud !uede ser satisfecha manteniendo el sistema en un estado se$uro/ Caso 2: 4dem caso F5 !ero la solicitud !ara el !roceso 2 es : F 0 F El !roceso 2 no !uede realizar esa solicitud !ues exceder?a su máximo !redefinido/ Examen febrero 2003: 1tilizando el al$oritmo del ban.uero5 y dada la si$uiente situaci*n de !rocesos y recursos Asi$naci*n =ax 7is!onible DDDDDDDDDDDD DDDDDDD DDDDDDDDDDD A  C 7 AC7 AC7 '0 0 0 F 2 00F2 F320 'F F 0 0 0 F930 '2 F  + 3 236 ' 0 6  2 0632 '+ 0 0 F + 0636 determine si el sistema está en estado se$uro5 y en caso afirmativo5 si al lle$ar un solicitud del !roceso 'F de B05+5250;5 -sta !uede ser satisfecha de inmediato/ )ustifi.ue sus res!uestas/ es!uesta: 'rimero establecemos las matrices @ecesidad B=ax R Asi$naci*n;5 Hrabao T 7is!onible5 y >in T > !ara todo !roceso @ecesidad Hrabao DDDDDDDDDDD DDDDDDDD A  C 7 A  C 7 '0 0 0 0 0 F 3 2 0 'F 0 9 3 0 '2 F 0 F F ' 0 0 2 0 '+ 0 6 + 2 >in DDD > > > > > usco secuencia se$ura Bhay más de una5 a.u? se muestra una; '0 `B0505050; _ BF535250; Hrabao .ueda en B0505F52; S BF535250; T BF53552; >in en BH5>5>5>5>; '2 `BF505F5F; _ BF53552; Hrabao .ueda en BF55+53; S BF53552; T B255959; >in en BH5>5H5>5>; 'F `B0595350; _ B255959; Hrabao .ueda en BF505050; S B255959; T B25F35F259; >in en BH5H5H5>5>; ' `B0505250; _ B25F35F259; Hrabao .ueda en B056552; S B25F35F259; T B252F5F35U; >in en BH5H5H5H5>; '+ `B0565+52; _ B252F5F35U; Hrabao .ueda en B0505F5+; S B252F5F35U; T B252F5F65F3; >in en BH5H5H5H5H; Existe al menos una secuencia se$ura B_'05'25'F5'5'+&;5 !or lo .ue el sistema está en estado se$uro/ Con la solicitud del !roceso 'F de B05+5250;5 el estado .ueda en: Asi$naci*n @ecesidad DDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDD A  C 7 A  c 7 '0 0 0 F 2 '0 0 0 0 0 'F F + 2 0 'F 0   0 '2 F  + 3 '2 F 0 F F ' 0 6  2 ' 0 0 2 0 '+ 0 0 F + '+ 0 6 + 2 7is!onible >in DDDDDDDDDDD DDD F F 0 0 > > > > > Hrabao DDDDDDDD


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FING - UDELAR F F 0 0 usco secuencia se$ura '0 `B0505050; _ BF5F5050; Hrabao .ueda en B0505F52; S BF5F5050; T BF5F5F52; >in en BH5>5>5>5>; '2 `BF505F5F; _ BF5F5F52; Hrabao .ueda en BF55+53; S BF5F5F52; T B25+5359; >in en BH5>5H5>5>; 'F `B05550; _ B25+5359; Hrabao .ueda en BF5+5250; S B25+5359; T B55959; >in en BH5H5H5>5>; ' `B0505250; _ B55959; Hrabao .ueda en B056552; S B55959; T B5F+5F05U; >in en BH5H5H5H5>; '+ `B0565+52; _ B5F+5F05U; Hrabao .ueda en B0505F5+; S B5F+5F05U; T B5F+5FF5F; >in en BH5H5H5H5H; Con esta asi$naci*n5 existe al menos una secuencia B_'05'25'F5'5'+&;5 !or lo .ue es !osible atender esa solicitud/ Examen febrero 2006: A!licando el al$oritmo del ban.uero conteste si el si$uiente sistema está o no en un estado se$uro/

es!uesta: 1n estado es se$uro si el sistema !uede asi$nar recursos a cada !roceso Bhasta su máximo; en al$8n orden y a8n as? evitar los blo.ueos mutuos/ =ás formalmente5 un sistema está en un estado se$uro solo si existe una secuencia se$ura/ 1na secuencia de !rocesos `'05 'F5 ///5 'n es una secuencia se$ura !ara el estado de asi$naci*n actual si5 !ara cada 'i5 los recursos .ue 'i todav?a !uede solicitar se !ueden satisfacer con los recursos .ue actualmente están dis!onibles más los recursos .ue tienen todos los '5 donde  _ i/ En esta situaci*n5 si los recursos .ue 'i necesita todav?a no están dis!onibles5 'i !odrá es!erar hasta .ue todos los ' hayan terminado/ En ese momento5 'i !odrá obtener todos los recursos .ue necesita5 llevar a cabo su tarea desi$nada5 liberar los recursos .ue ad.uiri* y terminar/ amos a ver si el sistema está en estado se$uro/ A!licando el Al$oritmo del ban.uero/ trabao0 T B F F 0; fin0 T B>alse >alse >alse >alse >alse;

Elio '0 B@ecesidadB0; j trabao0 : BF 0 F 0; j B F F 0;;: trabaoF T trabao0 S Asi$nadosB0; T B F F 0; S BF 0 0 ; T B+ F F ; finF T BHrue >alse >alse >alse >alse; Elio '2 B@ecesidadB2; j trabaoF : BF 0 0 2; j B+ F F ;;: trabao2 T trabaoF S Asi$nadosB2; T B+ F F ; S BF  3 +; T B3 + 6 9; fin2 T BHrue >alse Hrue >alse >alse; Elio ' B@ecesidadB; j trabao2 : B0 0 2 0;j B3 + 6 9;;: trabao T trabao2 S Asi$nadosB; T B3 + 6 9; S B0 6  2; T B3 F0 U U; fin T BHrue >alse Hrue Hrue >alse; Elio '+: B@ecesidadB+; j trabao : B0 6 + 2; j B3 F0 U U;;: trabao+ T trabao S Asi$nadosB+; T B3 F0 U U; S B0 0 F +; T B3 F0 F0 F; fin+ T BHrue >alse Hrue Hrue Hrue; Elio 'F B@ecesidadBF; j trabao+ : B0 9 3 0; j B3 F0 F0 F;;: trabao3 T trabao+ S Asi$nadosBF; T B3 F0 F0 F; S BF 0 0 0; T B6 F0 F0 F; fin3 T BHrue Hrue Hrue Hrue Hrue; erificaci*n:


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FING - UDELAR Asi$nadosini S 7is!oniblesini T Hrabaofin B U U F; S B F F 0; T B6 F0 F0 F; Entonces existe una secuencia `'05 '5 'F5 '+5 '2 .ue es se$ura/ Entonces es estado se$uro y !or lo tanto no tiene .ue haber deadloc#/

15.5.4 Algoritmo de seguridad

@. 1ean trabao y fin, vectores con longitud m y n respectivamente. 7nicializo8 a/ Hrabao:T 7is!onible b/ >inì:T false . Buscar una i tal que8 a/ >inìT false b/ @ecesidadi Hrabao c/ (i no existe i5 continuar con el !aso + 

/ Hrabao:T Hrabao S Asi$naci*n i >inì :T true 4r al !aso 2

4. 1i >inì T true para toda i5 el sistema esta en estado seguro. 15.5.4.1 Algoritmo de solicitud de recursos

1ea (olicitudi el vector de solicitudes del proceso 'i. 1i (olicitudi ` T # , el proceso 'i quiere # ejemplares del tipo de recursos  . Para otorgarlos se siguen los siguientes pasos8 F. 1i (olicitudi  @ecesidad i, ir al paso , sino indicar error ya que el proceso e!cedi$ su reserva m%!ima. >. 1i (olicitudi  7is!onible, ir al paso 2, sino 'i debe esperar a que los recursos est'n disponibles. W. -l sistema simula aber asignado los recursos al proceso 'i de la forma8 7is!onible 8 7is!onible V (olicitudi\ Asi$naci*ni8 Asi$naci*n i M (olicitudi\ @ecesidad i8 @ecesidad i V (olicitudi\ 1i el estado resultante es seguro, la transacci$n se lleva a cabo, asignando los recursos a 'i, sino 'i tendr% que esperar, y se restaura el antiguo estado de solicitud de recursos. Jer ejemplo W.F.2.2, p%gina  del 1ilberscatz. 15.6 Detección de bloqueos mutuos 1i el sistema no previene o evita bloqueos mutuos, se puede encontrar con una situaci$n de bloqueo. Para ello necesita8 Un algoritmo que e!amine el estado del sistema y determine si ay ● bloqueo Un algoritmo para recuperarse del bloqueo ● -ste esquema de detecci$n y recuperaci$n requiere un gasto e!tra que incluye no solo los costos en tiempo para mantener la informaci$n sino tambi'n para recuperarse despu's del bloqueo.


181

FING - UDELAR 15.6.1 Un solo ejemplar de cada tipo de recursos

1e utiliza el $rafo de es!era, que se obtiene eliminando del grafo de asignaci$n de recursos, los nodo del tipo de recursos, y uniendo las aristas apropiadas. Una arista de 'i a '  implica que el proceso i, espera a que j libere un recurso que i necesita. -!iste un bloqueo mutuo en el grafo ay un ciclo. -l sistema necesita mantener la informaci$n del grafo, y peri$dicamente invocar el algoritmo de detecci$n de ciclos.

P5

R1

R3

R4

P1

P2

P3

R2

P4

R5

P5

P1

P2

P3



Grafo de asignaci ón de recursos

P4

Grafo de espera correspondiente

15.6.2 Varios ejemplares de cada tipo de recursos

Para este caso se utilizan estructuras similares a las del algoritmo del banquero. Disponible: Un vector de longitud m indica el n*mero de recursos ● disponibles de cada tipo. Asignaci-n: Una matriz n x m define el n*mero de recursos de cada ● tipo ya asignados a cada proceso. ● Solicitud: Una matriz n x m indica la solicitud actual de cada proceso. (olicitud ì5  T # 'i solicita # ejemplares de ' . 

@. 1ean trabao y fin vectores con longitud m y n respectivamente. 7nicializo8 a/ Hrabao:T 7is!onible b. >inì:T false si Asi$naci*nì _& 0 , sino >inì:T true . Busco a/ b. c.

i tal que >inì T false (olicitudi Hrabao (i no existe i, salto a 4 

/ Hrabao:T Hrabao S Asi$nacion i >inì:T true 7r al paso 

4. (i >inì T false !ara al$una i

-l sistema est% en bloqueo mutuo para ese i.



Jer ejemplo p%gina > del 1ilberscatz. 15.6.3 Uso del algoritmo de detecci ó n

1i los bloqueos mutuos son frecuentes el algoritmo de detecci$n deber% invocarse muy seguido ya que los recursos asignados a los procesos bloqueados est%n ociosos asta romper ese bloqueo, adem%s el n*mero de procesos bloqueados, puede crecer. /os bloqueos mutuos solo pueden aparecer cuando alg*n proceso pide un recurso y no se le puede asignar inmediatamente. 1e podr"a invocar el algoritmo, cada vez que esto sucede, adem%s podemos identificar inmediatamente el proceso causante del bloqueo. Pero invocarlo tan frecuentemente, puede causar demasiado gasto


182

FING - UDELAR

e!tra de tiempo, por lo tanto se lo puede invocar luego de un tiempo determinado (-j8 @ ora) o cuando el uso del +PU baja del 43. -n este caso pueden e!istir mucos ciclos en el grafo, y se dificulta identificar los procesos causantes del bloqueo. 15.7 Recuperación después del bloqueo mutuo +uando un algoritmo detecta un bloqueo puede8 7nformar al operador para que lo solucione manualmente &ejar que el 1G se recupere autom%ticamente /as opciones para romper el bloqueo son terminar anormalmente los procesos, o e!propiarle recursos. • •

15.7.1

Terminaci ón de procesos

ay dos formas8 •

•

Abortar todos los procesos blo5ueados: -l costo es elevado puesto que

alguno de los procesos puede aber estado trabajando por largo tiempo. Abortar de a un proceso *asta desblo5uearlos: 7ncluye un gasto adicional, puesto que luego de eliminar cada proceso ay que llamar nuevamente al algoritmo de detecci$n.

/a terminaci$n forzada de procesos no es f%cil, puesto que podr"a dejar incoerencia de datos. Para saber que procesos del bloqueo se pueden abortar, se deber"a usar un algoritmo similar al de la planificaci$n de +PU. 1e deben abortar los procesos causando el m%s bajo costo posible. /os factores para selecci$n de procesos son8 Prioridad del proceso #iempo que a trabajado, y cuanto m%s debe trabajar ;ecursos usados y de que tipo (si los recursos se pueden e!propiar f%cilmente) ;ecursos adicionales que necesita para terminar su tarea +antidad de procesos para abortar 1i los procesos son interactivos o por lotes • • •

• • •

15.7.2 Expropiaci ón de recursos

-!propiamos recursos de unos procesos para d%rselos a otros, asta romper el bloqueo. ay que considerar tres aspectos8 Selecci-n de la %/ctima: &ebemos determinar el orden de e!propiaci$n para minimizar el costo. etroceso: 1i e!propiamos el recurso, el proceso que lo estaba usando, no puede continuar con su ejecuci$n normal, por lo tanto, el proceso debe retroceder a un estado seguro, y reiniciarlo. /a forma m%s f%cil es abortar el proceso y comenzar de nuevo, pero es m%s conveniente regresar el proceso a un estado seguro, aunque se debe tener guardada informaci$n para ello. Inanici-n: Podr"a suceder que siempre se escoja el mismo proceso como v"ctima, por lo tanto ay que asegurarse que solo se lo va a e!propiar un n*mero finito (peque5o) de veces. •

•

•

Examen febrero 2006: 1na vez ocurrido un deadloc#5 describa un !roceso .ue !ermita recu!erarse del mismo/ =encione sus ventaas y desventaas/


183

FING - UDELAR es!uesta: a/ =atar todos los !rocesos/ Es se$uro !ero costoso/ (e !ueden matar !rocesos .ue llevan mucho tiem!o de c*m!uto/ En este caso no es necesario eecutar el al $oritmo de detecci*n de deadloc#5 ya .ue se matan todos los !rocesos involucrados/ b/ =atar un !roceso a la vez hasta eliminar e l ciclo .ue $enera el deadloc#/ Hiene un costo elevado debido a .ue lue$o de matar cada !roceso debe eecutarse nuevamente el al$oritmo de detenci*n de deadloc# !ara determinar si a8n se está en deadloc#/

15.8 Estrategia combinada para el manejo de bloqueos mutuos Dinguna de las estrategias anteriores, por si sola es apropiada. Una posibilidad es combinar los tres enfoques b%sicos y usar el $ptimo para cada clase de recursos. Para ello, se pueden ordenar jer%rquicamente los recursos, usando dentro de cada clase, la t'cnica m%s adecuada, evitando as" los bloqueos mutuos. +lasificaci$n8 •

• • •

ecursos internos: ;ecursos utilizados por el sistema, como un bloque de

control de procesos. Memoria central:
Una soluci$n mi!ta ordena las clases de la siguiente forma, utilizando las siguientes estrategias8 •

•

•

•

ecursos internos: 1e puede usar prevenci$n mediante ordenamiento de

recursos, ya que no es necesario escoger entre solicitudes pendientes en el momento de la ejecuci$n. Memoria central: 1e puede usar prevenci$n mediante e!propiaci$n ya que los trabajos pueden intercambiarse a disco, y la memoria central puede e!propiarse. ecursos de traba4os: 1e puede usar evitaci$n, ya que la informaci$n requerida acerca de las necesidades de recursos, se puede obtener de las tarjetas de control de trabajos. &spacio intercambiable: 1e puede usar preasignaci$n, pues casi siempre se conocen las necesidades de almacenamiento m%!imas.


184

FING - UDELAR

16 Protección /os diversos procesos de un sistema operativo se deben proteger de las actividades de los dem%s procesos. -!isten mecanismos que garantizan que solo los procesos autorizados por el 1G, puedan operar con los distintos recursos. /a !rotecci*n se refiere a un mecanismo para controlar el acceso de procesos o usuarios al sistema, controles sobre ellos, etc. /a se$uridad es una medida de confianza que tenemos en que se preservar% la integridad del sistema. 16.1 Objetivos de la protecci ón Griginalmente se concibi$ para que los usuarios compartieran recursos sin peligro en sistemas multiprogramados. Actualmente evolucionaron para aumentar la confiabilidad de sistemas que usan recursos compartidos. • •

;azones para dar protecci$n8 -vitar que usuarios malintencionados violen restricciones de acceso. Asegurar que cada componente de un programa use los recursos respetando las pol"ticas de uso de ellos.

/a protecci$n puede detectar errores en las interfaces entre subsistemas, evitando la contaminaci$n de un subsistema sano, con otro que no funciona correctamente. -!isten mecanismos para distinguir entre accesos autorizados y no autorizados. • • •

#ipos de pol"ticas de uso de recursos8 &eterminadas por el dise5o del sistema ormuladas por los administradores del sistema &efinidas por usuarios para proteger sus propios arcivos o programas

/as pol"ticas pueden cambiar en el tiempo o dependiendo de la aplicaci$n, por lo tanto el sistema debe proveer de erramientas al programador para que pueda modificarlas o utilizarlas. 16.2 Dominios de protecci ón Un sistema consta de procesos y objetos, 'stos *ltimos tanto de hardware (memoria, perif'ricos, etc.), como de software (arcivos, sem%foros, etc.). +ada objeto tiene un identificador, y se accede a 'l con operaciones bien definidas que dependen del objeto (+PU8 -jecuci$n,
Un proceso opera dentro de un dominio de !rotecci*n , que especifica los recursos a los que puede acceder. -l dominio define el conjunto de objetos, y el tipo de operaciones que se pueden invocar sobre ellos. /a capacidad para ejecutar una operaci$n con un objeto, se llama derecho de acceso y un dominio, es una colecci$n de derecos de acceso de la forma8 _nombreXdeXobeto5 conuntoXdeXderechos&


185

FING - UDELAR

#ipos de asociaci$n entre proceso y dominio8 •

•

&st3tica: -l conjunto de recursos de un proceso no cambia durante la

ejecuci$n del mismo, y queremos respetar el principio de necesidad de conocer, por lo tanto necesitamos un mecanismo para cambiar el conte!to de un dominio, para reflejar los derecos de acceso m"nimos necesarios. Por ejemplo8 Un proceso tiene dos fases. -n una requiere escritura y en otra lectura. 1i proporcionamos al proceso un dominio que incluye los dos accesos, proporcionamos m%s derecos de los necesarios a cada una de las fases. Din3mica: 1e cuenta con un mecanismo que cambia de un dominio a otro. #ambi'n se podr"a modificar el contenido del dominio, o en su defecto, crear un nuevo dominio con el contenido deseado, y cambiando a 'l.

ormas de establecer dominios8 •

•

•

"suario: -l conjunto de objetos a los que se puede acceder depende de la

identidad del usuario. ay conmutaci$n de dominio cuando se cambia de usuario (cierre y apertura de sesi$n). Proceso: -l conjunto de objetos a los que se puede acceder depende de la identidad del proceso. /a conmutaci$n de dominio corresponde a que un proceso env"a un mensaje a otro proceso y espera su respuesta. Procedimiento: -l conjunto de objetos a los que se puede acceder corresponde a variables locales definidas dentro del procedimiento. /a conmutaci$n de dominio ocurre cuando se invoca a otro procedimiento.

16.2.2

Ejemplos

-l modo dual (usuario V monitor) es una forma de proteger el 1G. +ada uno tiene su propio dominio. -n un sistema multiusuario no alcanza con esta protecci$n puesto que se debe proteger un usuario de otro. 16.2.2.1

UNIX

Asocia un dominio a cada usuario, y cambiar de dominio significa cambiar temporalmente la identificaci$n de usuario. +ada arcivo tiene asociados una identificaci$n de propietario y un bit de dominio. +uando un usuario con userDid T A, comienza a ejecutar un arcivo de propiedad de B, con el bit de dominio apagado, el userDid del proceso se ace igual a A. 1i el bit de dominio est% prendido, el userDid del usuario se ace igual al del propietario del arcivo, asta que el proceso termina. -sto se usa para poner a disposici$n e usuarios, los recursos privilegiados. Por ejemplo, el usuario puede tomar moment%neamente el user6id root  para usar un recurso, pero ay que controlar que no pueda crear un arcivo con userDid root  y el bit encendido, porque podr"a convertirse en root . ay sistemas m%s restrictivos que no permiten cambiar los identificadores de usuario. 1e deben usar mecanismos especiales para acceder a recursos especiales como demonios.


186

FING - UDELAR 16.2.2.2 Multics anillo 0 anillo 1 anillo N - 1

/os dominios de protecci$n se organizan jer%rquicamente en una estructura de anillos. +ada anillo corresponde a un dominio. -l proceso que se ejecuta en el dominio &3 es el que m%s privilegios tiene. #iene un espacio de direcciones segmentado donde cada se gmento es un arcivo y est% asociado a un anillo. A cada proceso se le asocia un n*mero de anillo, y puede acceder a segmentos asociados a procesos con menos privilegios (mayor n*mero de anillo), pero no a los segmentos m%s privilegiados. 1e produce una conmutaci$n de conte!to cuando un proceso invoca un procedimiento de otro anillo, y esa conmutaci$n es controlada por el 1G. Para este control, el anillo cuenta con los campos8 Inter%alo de acceso: BbF5 b2 ; ; y bF b2. imite: b tal que b & b2 ista de puertas: 7dentifica puertas en las que se pueden invocar segmentos. 

• • •

Un proceso en el anillo i, puede ejecutar segmentos de un intervalo de acceso (b@, b), solo si bF i b2. 1i no se cumple se efect*a una trampa y se acen nuevos controles8 i  b@8 1e permite la llamada porque el anillo que busco es menos privilegiado. i _ b8 1olo se permite la llamada si b i. /a llamada se destina a una puerta, permitiendo que los procesos con derecos de acceso limitado, puedan invocar procedimientos m%s privilegiados, pero de manera controlada. 



•



•

&esventaja8 Do permite el cumplimiento de la necesidad de conocer. /os mecanismos de protecci$n tambi'n dependen de la necesidad de seguridad o !erformance !erformance . -n una computadora en la que se procesan calificaciones de estudiantes, y a la que acceden estudiantes, se justifica un complejo sistema de seguridad, pero en una que solo es necesaria para triturar n*meros, tiene m%s peso la !erformance !erformance. 16.3 16 .3 Ma Mattri riz z de de acc acces eso o /as decisiones de pol"tica relativas a la protecci$n se pueden implementar con una matriz de acceso. /as filas representan dominios, y las columnas objetos. +ada entrada es un conjunto de derecos de acceso. Dominio  b4eto

<@

&@ &

l e er

<

<2

Impresora

escribir le e r

imprimir


187

FING - UDELAR

#odos los procesos que se ejecutan eje cutan en el dominio 7F, pueden leer el arcivo > F, y escribir el > . /os que se ejecutan en 72, pueden leer el arcivo > 2, e imprimir. 6onmutaci*n

1i incluimos tambi'n a la matriz como un objeto, podemos darle privilegios solo a algunos dominios para modificarla. &e la misma forma, podemos controlar la conmutaci$n de dominios. Dominio \ Objeto D1 D2

F1 leer

F2

F3 escribir

Impresora

leer

D1

D2 conmutar

imprimir

Un proceso en el dominio 7F, puede conmutar al dominio 72. 6opia

1e puede dar la capacidad de copiar derecos, a5adiendo un (S) al dereco de acceso. 1e puede copiar el dereco de acceso solo dentro de la misma columna (en el mismo objeto). Jariantes8 +ranserencia: 1e copia el acceso B5 #; al acceso Bi5 #; y se borra el acceso B5 #;/ imitaci-n: -l dereco B; se copia de B5 #; a Bi5 #; creando el dereco , y no , por lo tanto un proceso en el dominio l, no puede copiarlo. •

•

#ambi'n el sistema podr"a elegir ele gir que dereco darle a la copia, si el de copia, trasferencia o copia limitada colocando diferentes valores en la matriz. 1e necesita un mecanismo que permita a5adir o quitar derecos. Para eso se le asigna el dereco de due5o a uno de los dominios que utiliza el objeto y solo 'l puede asignar o quitar derecos. 1e requiere un mecanismo que cambie derecos en las filas, y es el de control. 16..4 Imp 16 mple leme men nta taci ción de la matriz de acceso /a mayor parte de las entradas de la matriz est%n vac"as. 16.4 16 .4.1 .1 Tab abla la glo lob bal

+onsiste en un conjunto de tripletas ordenadas8 _dominio5 obeto5 conuntoXdeXderechos&

1i ejecuto una operaci$n =, con un objeto J , en el dominio 7i, busco la entrada _7i5 J 5 # & = # . 1i no e!iste, se genera error. &esventajas8 /a tabla es grande, por lo tanto no puede estar en memoria principal. Adem%s ay informaci$n repetida, ya que si todos los dominios usan de la misma forma un mismo objeto, debo tener una entrada de la tabla para cada dominio.


188

FING - UDELAR 16.4 16 .4.2 .2 Li List sta a de acce acceso so par para a obje objeto tos s

+ada columna (objeto) es una lista de acceso, que contiene los pares _dominio5 ). conuntoXdeXderechos& (conjunto[de[derecos _ ). -n este caso se puede implementar un conjunto de derecos por omisi$n, que contiene todo los objetos a los que puedo acceder desde cualquier dominio. 

16.4.3 16. 4.3 Lis Lista ta de de capac capacida idades des par para a domin dominios ios

-s igual que en el caso anterior, pero para los dominios. +ada dominio tiene una lista de capacidades (objetos y operaciones). -l usuario puede acceder a estas listas indirectamente, ya que est%n protegidas por el sistema. Protecci$n de capacidades8 •

•

+ada objeto tiene una etiqueta para denotar su tipo (puntero, booleano, valor no inicializado). Do son directamente accesibles al usuario. -l espacio de direcciones de un programa se puede dividir8 Una parte accesible con datos e instrucciones normales. Gtra parte con la lista de capacidades accesibles • •

16.4.4 16. 4.4 Un mec mecani anismo smo de cer cerrad radura ura y llav llave e

-s un t'rmino medio entre las dos listas (capacidades y acceso). +ada objeto tiene una lista de patrones de bit llamada llamada cerradura , y cada dominio tiene otra llamada . llave Para que un proceso que se ejecuta en un dominio pueda acceder a un objeto, el dominio debe tener la llave adecuada. 1 6 .4 .5

Comparaci ó ó n n

+uando un usuario crea un objeto, establece sus derecos, pero es dif"cil determinar el conjunto de derecos para cada dominio. /as listas de capacidades son *tiles para localizar informaci$n de un proceso en particular pero no se corresponden con las necesidades del usuario. -l mecanismo de cerradura y llave, es un t'rmino medio. Puede ser eficaz y fle!ible, dependiendo de la longitud de las llaves, y los privilegios de acceso se pueden revocar para un dominio, simplemente cambiando su llave. /a mayor parte de los sistemas usa una combinaci$n entre listas de acceso y capacidades. 16.5 Revocaci ón de derechos de acceso #ipos8 • •

Inmediata o dierida Selecti%a o general: •

• •

Parcial o total: • •

•

Ieneral: Al revocar un dereco de acceso afecto a todos los usuarios con ese dereco. (electiva: Puedo seleccionar usuarios para revocarlo. Hotal: ;evoco todos los derecos de acceso a un objeto. 'arcial: ;evoco un subconjunto.

+emporal o permanente:


189

FING - UDELAR • •

Hem!oral: 1e puede revocar el dereco y luego obtenerlo nuevamente. 'ermanente: 1i lo revoco, no puedo volverlo a obtener.

+on un sistema de lista de acceso la revocaci$n es f%cil. -s inmediata y puede ser general, selectiva, etc. +on listas de capacidades debo allarlas en todo el sistema antes de revocarlas. -squemas de revocaci$n8 •

•

•

•

ead5uisici-n: Peri$dicamente se eliminan capacidades de cada dominio. -l

proceso tiene que tratar de readquirirla para usarla, y si fue revocada, no la puede adquirir. etropunteros: +ada objeto tiene punteros asociados a sus capacidades. 1e puede seguir esos punteros para revocar o modificar capacidades. 1u implementaci$n es costosa. Indirecci-n: /as capacidades no apuntan directamente al objeto sino a una entrada *nica de una tabla global. Para revocar, busco la entrada en la tabla global y la elimino. Do permite revocaci$n selectiva. $la%es: /a clave se define al crear la capacidad y el proceso que posee dica capacidad no puede modificarla. &ebo cambiar la clave maestra de cada objeto con un setX#ey  para revocar los derecos. Do permite revocaci$n selectiva.

16.6 16. 6 Si Siste stemas mas basa basado dos s en cap capaci acida dade des s 1 6 .6 .1

Hydra

-s fle!ible. Proporciona un conjunto fijo de posibles derecos de acceso que el sistema conoce, y proporciona a un usuario del sistema de protecci$n, un mecanismo para declarar nuevos derecos. /as operaciones sobre objetos, son tratadas tambi'n como objetos, y se accede a ellas a trav's de capacidades. Gtro concepto interesante es la am!lificaci*n de derechos que certifica un procedimiento como confiable y le permite acceder a objetos inaccesibles, a nombre de otro procedimiento que si puede accederlos. -stos derecos no son universales, y est%n restringidos. -j8 Un procedimiento invoca una operaci$n ', la cual es amplificada. /a operaci$n utiliza sus derecos nuevos, y cuando termina, el procedimiento vuelve a tener los derecos normales. Nydra dise5$ protecci$n directa contra el problema de subsistemas .ue sos!echan uno del otro . +uando varios usuarios invocan un programa de servicios, asumen el riesgo de que falle, perdiendo datos, o que retenga los datos y puedan ser usados posteriormente sin autorizaci$n. 16.6 16 .6.2 .2 Si Sist stema ema Ca Camb mbri ridg dge e CAP CAP

-s m%s sencillo que Nydra. Proporciona tambi'n protecci$n segura a datos de usuario. +apacidades8 $apacidad de datos: 1irven para obtener acceso a objetos y tienen los derecos est%ndar (leer, escribir, etc.). -st% en el micro c$digo de +AP. $apacidad de soft4are: +orre por cuenta de un procedimiento privilegiado. +uando es invocado, 'l mismo obtiene los derecos de leer y escribir. •

•


190

FING - UDELAR

16.7 Protecci ón basada en el lenguaje /a protecci$n se logra con la ayuda del n*cleo del 1G que valida los intentos de acceso a recursos. -l gasto de inspeccionar y validar todos los intentos de acceso a todos los recursos es muy grande, por lo tanto debe ser apoyada por hardware . Al aumentar la complejidad del 1G, se deben refinar los mecanismos de protecci$n. /os sistemas de protecci$n, no solo se preocupan de si puedo acceder a un recurso, sino tambi'n de c$mo lo accedo, por lo tanto los dise5adores de aplicaciones deben protegerlos, y no solo el 1G. /os dise5adores de aplicaciones mediante erramientas de los lenguajes de programaci$n pueden declarar la protecci$n junto con la tipificaci$n de los datos. Jentajas8 /as necesidades de protecci$n se declaran sencillamente y no llamando procedimientos del 1G. /as necesidades de protecci$n pueden e!presarse independientemente de los recursos que ofrece el 1G. -l dise5ador no debe proporcionar mecanismos para acer cumplir la protecci$n. /os privilegios de acceso est%n "ntimamente relacionados con el tipo de datos que se declara. •

•

•

•

•

•

•

&iferencias entre las distintas formas de protecci$n8 Seguridad: /a obligaci$n de cumplimiento por n*cleo ofrece un grado de seguridad que el c$digo de seguridad ofrecido por el compilador.
/a especificaci$n de protecci$n en un lenguaje de programaci$n permite describir en alto nivel las pol"ticas de asignaci$n y uso de recursos. -l programador de aplicaciones necesita un mecanismo de control de acceso seguro y din%mico para distribuir capacidades a los recursos del sistema entre los procesos de usuario. /as construcciones que permiten al programador declarar las restricciones tienen tres operaciones b%sicas8 &istribuir capacidades de manera segura y eficiente entre procesos clientes. -specificar el tipo de operaciones que un proceso podr"a invocar en un recurso asignado. -specificar el orden en que un proceso dado puede invocar las operaciones de un recurso. • •

•


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FING - UDELAR

17 Seguridad /a protecci$n es estrictamente un problema interno, la seguridad en cambio no solo requiere un sistema de protecci$n adecuado, sino tambi'n considerar el entorno e!terno donde el sistema opera. /a protecci$n no es *til si la consola del operador est% al alcance de personal no autorizado. /a informaci$n debe protegerse de accesos no autorizados, destrucci$n, alteraci$n mal intencionada o inconsistencias. 17.1 El problema de la seguridad Un sistema es seguro si los recursos se usan y acceden como es debido en todas las circunstancias. -sto no siempre es posible pero se debe contar con mecanismos que garanticen que las violaciones de seguridad sean un suceso poco com*n. ormas de acceso mal intencionado8 ● ● ●

/ectura no autorizada de datos (robo de informaci$n).
-l hardware del sistema debe proporcionar protecci$n que permita implementar funciones de seguridad. <16&G1 casi no ofrece seguridad, y ser"a relativamente complejo agregar nuevas funciones. 17.2 Validaci ón 1e deben identificar los usuarios del sistema. 17.2.1

Contrase ñ as

+uando el usuario se identifica con un identificador, se le pide una contrase5a, y si 'sta coincide con la almacenada en el sistema, se supone que el usuario est% autorizado. 1e usan cuando no se cuenta con sistemas de protecci$n m%s completos. 17.2.2 Vulnerabilidad de las contrase ñ as

-l problema es la dificultad de mantener secreta una contrase5a. Para averiguarla se puede usar fuerza bruta, usando todas las combinaciones posibles de letras, n*meros y signos de puntuaci$n, o probando con todas las palabras del diccionario. -l intruso podr"a estar observando al usuario cuando la digita o usmeando en la red, o sea, viendo los datos que el usuario transfiere a la red, incluidos identificadores y contrase5as. 1i el sistema elige la contrase5a, puede ser dif"cil de recordar, y el usuario la anota, si la elige el usuario, puede ser f%cil de adivinar. Algunos sistemas envejecen las contrase5as, obligando al usuario a cambiarlas cada determinado tiempo. 1e controla que el usuario no vuelva a usar una contrase5a que ya us$ antes, guardando un istorial de contrase5as. 17.2.3

Contrase ñ as cifradas

-l sistema UD7O usa cifrado para no tener que mantener en secreto su lista de contrase5as. +ada usuario tiene una contrase5a y el sistema contiene una funci$n, e!tremadamente dif"cil de invertir, pero f%cil de calcular, que codifica las contrase5as Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

192

FING - UDELAR

y las almacena codificadas. +uando el usuario presenta la contrase5a, se codifica y compara con las ya codificadas. &e esta forma no es necesario mantener en secreto el arcivo con contrase5as. Problemas8 ●

●

●

1e puede obtener una copia del arcivo de contrase5as y comenzar a cifrar palabras asta descubrir una correspondencia (ya que el algoritmo de cifrado de UD7O es conocido). /as nuevas versiones de UD7O ocultan el arcivo.
17.3 Contrase ñas de un solo uso 1e pueden usar contrase5as algor"tmicas, donde el sistema y el usuario comparten un secreto. -l sistema proporciona una semilla, el usuario con el algoritmo y la semilla introduce la contrase5a, y el sistema la comprueba (ya que conoce el algoritmo del usuario). /a contrase5a es de un solo uso, por lo tanto, cualquiera que la capte, no podr"a utilizarla luego. 17.4 Amenazas por programas 17.4.1 Caballo de Troya

-l dise5ador del programa podr"a dejar una puerta, por la cual entra salte%ndose todos los protocolos de seguridad. 1e podr"a generar una puerta ingeniosa en un compilador, que coloque puertas en todos los programas que compile. Una puerta en un sistema es dif"cil de detectar por la cantidad de c$digo que el sistema pose'. 17.5 Amenazas al sistema 17.5.1

Gusanos

-l gusano engendra copias de si mismo ocupando los recursos del sistema, impidiendo que sean usados por otros procesos. -n las redes son muy potentes, ya que pueden reproducirse entre los sistemas, y paralizar toda la red. Eusano de Morris'

+aus$ en @T== p'rdidas millonarias a trav's de 7nternet. -ra auto6replicante, para distribuirse r%pidamente, adem%s caracter"sticas de UD7O, le permitieron propagarse por todo el sistema. -l gusano aprovec$ defectos en rutinas de seguridad de UD7O, para obtener accesos no autorizados a miles de sitios interconectados. Jer ejemplo de p%gina >2@. 7nteresante pero in*til. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

193


Virus

#ambi'n est%n dise5ados para e!tenderse acia otros programas, y pueden producir da5os graves en un sistema, como modificar o destruir arcivos y causar ca"das en programas o sistemas. Un gusano es un programa completo y aut$nomo\ un virus es un fragmento de c$digo incrustado en un programa leg"timo. /os computadores multiusuario no son tan vulnerables, porque protegen los programas ejecutables contra escritura, a*n as" es f%cil su infecci$n. Antivirus' /a mayor parte solo act*an sobre virus conocidos, e!aminando los programas del sistema en busca de instrucciones espec"ficas que sabe que contiene el virus.

17.6 Vigilancia de amenazas 1e buscan patrones de actividad sospecosos. /as t'cnicas son8 • •

•

+uenta de las veces que se proporcionan contrase5as incorrectas en el login /levar una bitácora de auditor?a que registra la ora, el usuario y los accesos a objetos, para determinar los problemas, pero estas bit%coras pueden crecer muco, ocupando demasiados recursos en el sistema. -!plorar el sistema peri$dicamente en busca de agujeros de seguridad, que se pueden realizar en el computador cuando ay poco tr%fico, no como en el caso de las bit%coras. Puede e!aminar8 o +ontrase5as f%ciles de adivinar. o Programas setuid no autorizados (si el sistema maneja el mecanismo). o Programas no autorizados en directorios del sistema. o Procesos cuya ejecuci$n tiene una duraci$n inusual. o Protecciones inapropiadas de directorios de usuario y sistema. o Protecciones inapropiadas de arcivos de datos, contrase5as, drivers, o el n*cleo del sistema. Acceso computadoras seguras - Internet o +aballos de troya.

/os computadores en red son susceptibles a ataques por la gran cantidad de ataques remotos posibles. Una ayuda de protecci$n en red son los firewalls . Un firewall es un computador que se coloca entre lo confiable y lo no confiable, limita el acceso por red, y lleva una bit%cora.

Internet

FIREWALL

Computadoras seguras

Acceso computadoras semiSeguras computadoras seguras

Acceso Internet Computadoras semiSeguras

Computadoras semi-seguras

17.7 Cifrado Por la red se transmite gran cantidad de informaci$n que no se desea que sea descubierta. Para lograr esto, se sigue el siguiente mecanismo8 /a informaci$n se cifra (codifica) de su forma comprensible original (te!to limpio) a una forma interna (te!to cifrado). /a forma interna se puede leer pero no es comprensible. -l te!to cifrado se puede almacenar en arcivos legibles y enviarse por canales desprotegidos. •

•


194

FING - UDELAR •

Para entender el te!to, el receptor debe descifrarlo (decodificarlo) para obtener el te!to limpio.

-l reto es crear esquemas de cifrado imposibles de romper. ay varios m'todos, pero uno de ellos consiste en tener un algoritmo de cifrado general -, uno de descifrado general &, y una o m%s claves secretas. -N y &N son los algoritmos para la clave N. Para el mensaje m se debe cumplir8 F/ 7# BE# Bm;; T m . 7# 5 E# se calculan de forma eficiente. 2. 1e debe mantener en secreto la clave y no los algoritmos. 1e cre$ el &-1, est%ndar de cifrado de datos, que contiene el problema de distribuci$n de claves, ya que ay que enviar secretamente las claves. Una soluci$n a esto es usando clave p*blica. +ada usuario tiene dos claves, una p*blica y una privada, y para comunicarse solo basta con saber la p*blica del otro. Algoritmo'

Clave !8blica T Be5 n; Clave !rivada T Bd5 n;

-l mensaje se representa con un entero y se divide en submensajes de largo 3.. (n V @) EBm; T me mod n T C 7BC; T Cd mod n

n se calcula como el producto de dos primos ! y . al azar (n T ! x .)\ d es al azar, y satisface mcd `d5 B!DF; x B.DF;  T F \ e se calcula tal que e x d mod `B!DF; x B.DF; T F/ 1i es necesario, ver ejemplo en p%gina >2=. 17.8 Clasificaci ón de seguridad de los computadores -l total de sistemas de computaci$n que obligan al cumplimiento correcto de pol"ticas de seguridad son llamados ase de com!utador confiable BHC; . 1e clasifican en A, B, + y &8 •

•

D = Protecci-n m/nima: 1on sistemas evaluados que no satisfacen los

requisitos de seguridad de las otras clases. -j8 <16&G1 y Lindo?s 2.@. $ = Protecci-n discrecional: 1e contabilizan los usuarios y sus acciones mediante auditor"as. #iene dos niveles8 $: Permite que los usuarios puedan proteger informaci$n privada y evitar que otros la lean o destruyan. Abarca la mayor parte de las versiones de UD7O. /a #+B de CF controla el acceso entre usuarios y arcivos permitiendo compartir objetos entre individuos nombrados, o grupos definidos. -l usuario debe identificarse antes de iniciar cualquier actividad que la #+B deba mediar. $G: Une a los requisitos de CF, un control de acceso a nivel individual, y el administrador del sistema puede auditar de forma selecta las •

•


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•

acciones de cualquier usuario conociendo su identidad. ay algunas versiones de UD7O que certifican el nivel C2.  = Protecci-n obligatoria: #ienen todas las propiedades de C2, y adem%s pegan etiquetas de confidencialidad a cada objeto. :
•

•

•

Examen diciembre 200+: 7efina brevemente .ue es G=andatory Access ControlG en o!osici*n al conce!to de G7iscretionary Access ControlG/ es!uesta: En el modelo de control de acceso discrecional B7iscretionary Access Control5 7AC; el usuario tiene un com!leto control sobre los obetos .ue le !ertenecen y los !ro$ramas .ue eecuta/ As? mismo5 el !ro$rama eecutado !or un usuario tendrá B$eneralmente; los mismos !ermisos de ese usuario .ue lo está eecutando / Esto im!lica .ue la se$uridad del sistema de!ende de las a!licaciones .ue se están eecutando y5 !or tanto5 cuando se !roduce una vulnerabilidad de se$uridad en una a!licaci*n5 -sta afecta a todos los obetos a los .ue el usuario tiene acceso/ As?5 si la a!licaci*n es eecutada !or root5 el atacante !uede obtener los máximos !rivile$ios en la má.uina5 com!rometiendo la se$uridad $lobal del sistema/ Jtro modelo de control de acceso es el denominado control de acceso obli$atorio B=andatory Access Control5 =AC;5 donde existe una !ol?tica de se$uridad definida !or el administrador y .ue los usuarios no !ueden modificar/ Esta !ol?tica va más allá de establecer !ro!ietarios de archivos sino .ue fia GcontextosG5 en donde se indica cuando un obeto !uede acceder a otro obeto/ 1n eem!lo de esto es el modelo de ell D%a!adula !ensado !ara restrin$ir !ermisos en un es.uema military5 donde se le asocia a los o betos y a los suetos del sistema dos eti.uetas Bsensibilidad5 cate$or?a; 7onde sensibilidad es !or eem!lo: noDclasificado5 confidencial5 secreto y ultra secreto g cate$or?a es !or eem!lo: otan5 misiles5 af$anistan5 etc/ 1n sueto !ara !oder acceder a un obeto debe tener una sensibilidad i$ual o mayor con la .ue está clasificado el obeto y tener su misma cate$or?a/ 'or eem!lo si el sueto ti ene la clasificaci*n Bultra secreto/ Jtan; no !uede acceder a los obetos clasificados como BnoDconfidenciales5 af$anistan;/ 1n sueto no !uede cambiar la eti.ueta de un obeto salvo elevar su sensibilidad/ Examen ulio 200+: 7escriba brevemente tres m-todos de autenticaci*n de usuarios/ es!uesta: Autenticaci*n !or !asswords: el usuario o !roceso .ue .uiere autenticarse !rovee5 además de su identificador5 una !assword/ 'ueden asociarse distintas !asswords5 cu con distintos derechos de acceso/ %a ventaa es .ue son fáciles de entender y usar5 la desventaa es .ue !uede ser intencional o accidentalmente descubierta o transferida/ Jtra forma5 variante de las anterior5 es encri!tardesencri!tar las !asswords al de almacenarlasrecu!erarlas5 o al transmitirlas !or un medio inse$uro/ >inalmente5 !uede hacerse !or !asswords Ode una sola vez

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17.9 Ejemplo de modelo de seguridad: Windows NT Ja desde seguridad m"nima (por defecto) asta C2. -l administrador puede configurarlo al nivel deseado mediante +config.e!e. -l modelo se basa en el concepto de cuentas de usuario. Permitiendo crear cualquier cantidad de cuentas de usuario que se pueden agrupar de cualquier manera. +uando un usuario ingresa al sistema, D# crea un testi$o de se$uridad que contiene todos los datos y permisos del usuario, y que va a ser accedido por los procesos cada vez que el usuario quiere acceder a un objeto. /a validaci$n de una cuenta de usuario se efect*a a trav's del nombre de usuario y contrase5a. D# cuenta con una auditor"a integrada y permite vigilar amenazas de seguridad comunes. /os atributos de seguridad de un objeto D# se describen con un descriptor de seguridad que contiene el identificador de seguridad del propietario del objeto (quien puede cambiar los permisos), un identificador de seguridad de grupo, una lista de control de acceso discrecional (usuarios o grupos a los que se le permite o pro"be el acceso) y una lista de control de acceso al sistema (guarda mensajes de auditor"a del sistema). D# clasifica los objetos como contenedores o no contenedores. /os contenedores pueden contener l$gicamente otros objetos (-j8 &irectorios). -l subobjeto ereda los permisos del padre. 1i se cambian los del padre, cambian los del ijo.


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18 El sistema UNIX 18.1 Historia /a primera versi$n fue en @T>T en Bell /aboratories, y , en @TW>, y se utiliz$ en universidades. +on el pasar del tiempo se fueron agregando funciones de memoria virtual, paginaci$n y memoria compartida. 1e apoyaron los protocolos #+P07P, logrando gran popularidad y permitiendo un masivo crecimiento de 7nternet. 1e implement$ una nueva interfaz con el usuario (+6sell), un nuevo editor de te!tos (vi), y compiladores. -n @T=> se liber$ la versi$n 4.2B1&, sobre la que se basa este cap"tulo. -l conjunto actual de sistemas UD7O no est% limitado por los producidos por Bell /aboratories, por lo tanto tambi'n e!isten una gran cantidad de interfaces de usuario que los distintos proveedores distribuyen. UD7O est% disponible para casi todos los computadores de prop$sito general, como P+Is, estaciones de trabajo, etc. en entornos que van de acad'micos a militares. 1e trata de crear un standard para lograr una *nica interfaz y popularizar a*n mas el sistema. 18.2 Principios de dise ño UD7O se dise5$ como un sistema de tiempo compartido. -l shell es sencillo y puede ser sustituido por otro si se desea. -l sistema de arcivos es un %rbol con m*ltiples niveles, y las dependencias y peculiaridades de los dispositivos se mantienen en el n*cleo asta donde es posible, confinadas en su mayor parte a los drivers de dispositivos. UD7O apoya m*ltiples procesos. /a planificaci$n de la +PU es un sencillo algoritmo de prioridades. 1e usa paginaci$n por demanda para gesti$n de memoria, usando un %rea de 1LAP si ay iperpaginaci$n. -l sistema es sumamente fle!ible, y cuenta con recursos para ampliarlo f%cilmente. Al ser dise5ado para programadores, cuenta con recursos como ma#e (*til para compilar arcivos fuentes de un programa) y el (istema de control de c*di$o fuente (1++1) para mantener versiones sucesivas de arcivos sin necesidad de almacenarlos. -st% escrito en +, por lo tanto es portable. 18.3 Interfaz con el programador +onsta de dos partes separables, el n*cleo y los programas de sistemas. -st% formado por capas, y los servicios del 1G son proporcionados a trav's de llamadas al sistema. /as llamadas al sistema definen la interfaz con el !ro$ramador , y el conjunto de programas del sistema, la interfaz con el usuario , las dos apoyadas por el n*cleo.

(los usuarios) shells y órdenes compiladores e intérpretes bibliotecas del sistema leo a trav és de llamadas al sistema interfaz con el n úc

manejo de señales de terminales sistema de E/S por caractéres drivers de terminales

planificación de la CPU reemplazo de páginas paginación por demanda memoria virtual

sistema de archivos sistema de E/S por intercambio de bloques drivers de disco y cinta

interfaz entre el n úc leo y el hardware

contadores de terminales terminales

controladores de dispositivos discos y cintas


controladores de memoria memoria física

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/as llamadas al sistema se agrupan en tres categor"as e!plicadas a continuaci$n. 18.3.1 Manipulaci ón de archivos

Un archivo en UD7O es una secuencia de bytes. -l n*cleo no impone ninguna estructura de arcivo, aunque los diferentes programas esperan distintos niveles de estructura. -st%n organizados en directorios con estructura de %rbol. /os directorios tambi'n son arcivos con informaci$n para encontrar otros arcivos. Un nombre de camino ( !ath) consiste en nombres de arcivo (directorios) separados por H0I, donde la base de partida es el directorio root . UD7O tiene8 •

•

#ombres de camino absoluto: Parten de la ra"z del sistema y se distinguen

por comenzar con una diagonal. -j. 0usr0local. #ombres de camino relati%o: Parten del directorio actual.

Simb-licos o blandos: 1on arcivos que contienen el nombre de camino de

otro arcivo. Pueden apuntar a directorios y cruzar fronteras de sistemas de arcivo (a diferencia de los duros). •

Duros: o o

-l nombre del arcivo H.I es un enlace duro al directorio mismo. -l nombre del arcivo H..I es un enlace duro al directorio padre.

/os dispositivos de hardware tienen nombres en el sistema de arcivos. /os directorios comunes son8 'bin: +ontiene binarios de los programas UD7O. 'lib: +ontiene bibliotecas. 'user: +ontiene los directorios de usuarios. 'tmp: +ontiene arcivos temporales. 'etc.8 +ontiene programas administrativos. • • • • •

Para trabajar con arcivos y directorios uso las siguientes llamadas al sistema8 creat: +rea un arcivo8 open, close: Abre y cierra arcivos. read, 0rite: #rabaja sobre el arcivo. lin1, unlin1: +rea o destruye enlaces duros a arcivos. s6mlin1: +rea un enlace simb$lico al arcivo. m1dir, rmdir: +rea o elimina directorios. cd: +ambia de directorio. • • • • • • •

18.3.2 Control de procesos

/os procesos se identifican con su identificador de !roceso (P7&), y se crea un proceso nuevo con la llamada al sistema or1 . -l proceso nuevo consiste en una copia del espacio de direcciones del padre, y ambos contin*an su ejecuci$n en la instrucci$n siguiente al or1 , con la diferencia que el c$digo de retorno del or1 es 3 para el ijo, y es el P7& del ijo para el padre. -l proceso termina con una llamada al sistema e7it, y el padre puede esperarlo con 0ait. -l ijo al terminar queda como difunto por si el padre necesita su informaci$n. -n el caso que el padre termine, sin esperar por el ijo, el ijo pasa a ser


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un proceso zombie. #odos los procesos de usuario son ijos de un proceso original llamado init . #ipos de identificador de usuario8 &ecti%o: 1e usa para los permisos de acceso a arcivos, y se ace igual al id del usuario due5o del arcivo, para abrirlo. eal: -s el id del usuario. •

•

-sto permite a ciertos usuarios tener privilegios m%s all% de los ordinarios, pero controlados por el 1G. 18.4 Señales 1on un recurso para manejar e!cepciones, y son similares a las interrupciones de software . SI9I#+: 7nterrupci$n. &etiene una orden antes de que termine de ejecutarse. 1e produce con el car%cter +. SI9L"I+: Abandonar. &etiene un programa y vac"a su memoria en un arcivo llamado core (bs). SI9I: 7nstrucci$n no v%lida. SI9S&: Acceso inv%lido a memoria. SI9HI: Do se puede pasar por alto. 1irve para terminar un proceso desbocado que no ace caso a otras se5ales como 17K7D# o 17KU7#. •

•

• • •

Do ay prioridades entre se5ales, y si mando dos del mismo tipo a un proceso, se sobrescriben. #ambi'n e!isten se5ales para entregar datos urgentes en una red, o dormir procesos asta que sean interrumpidos. 18.4.1 Grupos de procesos

Krupos relacionados de procesos podr"an cooperar para realizar una tarea com*n, y es posible enviar se5ales a todos los procesos del grupo. 1olo un grupo de procesos puede usar una terminal de -01 en un momento dado. -ste trabajo de !rimer !lano tiene la atenci$n del usuario de la terminal, mientras los trabajos de se$undo !lano realizan otras tareas. 18.4.2 Manipulaci ón de informaci ó n

-!isten llamadas al sistema para devolver y ajustar temporalizadores, ora actual, y para obtener el P7& de un proceso ($et!id), nombre de una m%quina ($ethostname ), etc. 18.4.3 Rutinas de biblioteca

/a interfaz de llamadas al sistema de UD7O se apoya con bibliotecas y arcivos de cabecera. -stos *ltimos proporcionan estructuras de datos complejas que se emplean en las llamadas. Por ejemplo stdio._ proporciona una interfaz que lee y escribe miles de bytes usando buffers locales. ay otras para funciones matem%ticas, acceso a redes, etc. 18.5 Interfaz con el usuario /os programadores y usuarios manejan los programas de sistema que UD7O provee. -stos efect*an llamadas al sistema que en mucos casos no son obvias para el usuario.


200

FING - UDELAR •

Programa ls: /ista los nombres de arcivos del directorio actual. ay

opciones8 •

• • • •

- l : /istado largo.
fecas y tama5o. Programa cp: +opia un arcivo e!istente. Programa mv : +ambia un arcivo de lugar o nombre. Programa rm' Borra arcivos Programa cat :
#ambi'n ay editores (vi), compiladores (+, PA1+A/), programas para comparar Bcm!5 diff ), buscar patrones ($re!), etc. 18.5.1

Shells y ó rdenes

/os programas normalmente se ejecutan con un int'rprete de $rdenes, que en el caso de UD7O es un proceso de usuario como cualquier otro llamado shell. ay diferentes shells, pero todos tienen $rdenes en com*n. -l sell indica que est% listo e!ibiendo una se5al de espera ( !rom!t ) que depende del tipo de sell (ej.8 en shell + es ), y la orden de usuario es de una *nica l"nea. Keneralmente el shell espera (wait ) asta que termin$ la tarea que el usuario orden$, pero se pueden ejecutar tareas en se$undo !lano donde la tarea queda ejecut%ndose y el sell sigue interpretando $rdenes. -l shell + cuenta con un control de trabaos que permite transferir procesos entre el primer y el segundo plano. 18.5.2

E/S est án dar

/os procesos pueden abrir arcivos a discreci$n, pero siempre tienen abiertos tres descriptores de arcivo en su inicio8 F: -ntrada est%ndar. : 1alida est%ndar. G: -rror est%ndar. • • •

` 'stos, les permite trabajar con ellos (ej8 pantalla, teclado, etc.). -sos arcivos son por defecto, pero puedo asignar otros si es necesario (ej8 impresora como salida). -ste cambio es llamado redirecci*n de E(/ 18.5.3 Conductos, filtros y guiones de shell

1e usa un conducto para llevar datos de un proceso a otro. -n UD7O se usa una barra vertical HXI ( !i!e), como por ejemplo ls V l!r  que imprime lo que devolvi$ el comando ls. Una orden que pasa su entrada est%ndar a su salida est%ndar realizando un proceso sobre ella, es llamada filtro . Un arcivo que contiene $rdenes de sell es un $ui*n de shell (shell scri!t). 1e ejecuta como cualquier orden y se invoca el shell apropiado para leerlo. 18.6 Gestión de procesos -s f%cil crear y manipular procesos en UD7O. /os procesos se representan con bloques de control, y se almacenan en el n*cleo, el cual los usa para controlar el proceso y planificar la +PU.


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FING - UDELAR 18.6.1 Bloques de control de procesos

/a estructura de !roceso contiene lo que el sistema necesita para saber acerca de 'l. -!iste un arreglo de estructuras de proceso, cuyo tama5o se define al enlazar el sistema. -l planificador implementa la cola de procesos listos como una lista doblemente enlazada de estructuras e proceso. -l es!acio de direcciones virtual del proceso se divide en segmentos de te!to (c$digo del programa), datos y pila. /os dos *ltimos est%n en el mismo espacio de direcciones, pero como son variables crecen en direcciones opuestas. /as tablas de !á$inas registran informaci$n de la correspondencia entre memoria virtual y f"sica. -n la estructura de usuario se guardan los id de usuario y grupo, el directorio actual, la tabla de arcivos abiertos, etc. +uando un proceso se ejecuta en modo de sistema, se utiliza una pila de n*cleo para el proceso, en lugar de la pila del proceso. /a pila de n*cleo y la estructura de usuario constituyen el se$mento de datos del sistema de ese proceso. -l or1 copia los datos y la pila en el nuevo proceso, al contrario del %or1 . 18.6.2 Planificaci ó n de CPU

-st% dise5ada para beneficiar los procesos interactivos. +ada proceso tiene una !rioridad de !lanificaci*n (a mayor n*mero, menor prioridad). /os procesos que realizan tareas importantes tienen prioridades menores que pzero y no se pueden matar. /os dem%s tienen prioridades positivas. +uanto m%s tiempo de +PU acumula un proceso, m%s baja su prioridad, y se usa envejecimiento para evitar inanici$n. -n el n*cleo, ning*n proceso desaloja a otro. 18.7 Gestión de memoria 18.7.1 Intercambio

Un proceso m%s grande que la memoria no pod"a ser ejecutado, y los segmentos de datos de sistema y usuario, que se manten"an en memoria principal, causaban fragmentaci$n e!terna. /a asignaci$n de memoria virtual y espacio de intercambio es por primer ajuste. 1i la memoria aumentaba se buscaba un nuevo ueco y se copiaba. 1i no e!ist"a tal ueco, se cambiaba a disco. -l !roceso !lanificador decide que procesos se deben intercambiar, y se despierta cada 4 segundos para revisar. Para evitar iperpaginaci$n, no se intercambia a disco un proceso que no aya estado un cierto tiempo en memoria. #odas las particiones de s?ap deben tener el mismo tama5o (potencia de dos) y deben poder accederse con diferentes brazos del disco. 18.7.2

Paginaci ón

Utiliza paginaci$n por demanda, eliminando la fragmentaci$n e!terna, y reduciendo la cantidad de intercambios. Algunas arquitecturas, no cuentan con un bit de referencia a p%gina en hardware , impidiendo el uso de mucos algoritmos de gesti$n de memoria. Utiliza una modificaci$n del algoritmo de segunda oportunidad. /a escritura de p%ginas se efect*a en c*mulos para mejorar el desempe5o. 1e realizan verificaciones para que el n*mero de p%ginas en memoria para cada proceso no se reduzca demasiado, o no aumente demasiado. -l encargado es


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FING - UDELAR

!a$edaemon que est% dormido asta que el n*mero de marcos libres se reduce m%s all% de un umbral. -n JAO el tama5o de p%gina es peque5o causando ineficiencias de la -01, as" que se juntan en grupos de a dos. -l tama5o de p%gina efectivo no necesariamente es id'ntico al tama5o de p%gina de hardware , aunque si debe ser m*ltiplo.

18.8 Sistema de archivos 18.8.1 Bloques y fragmentos

-l sistema de arcivos est% ocupado por blo.ues de datos los cuales deben ser mayores a F@ bytes, por razones de velocidad, pero no muy grandes por causa de la fragmentaci$n interna. UD7O usa dos tama5os de bloque. #odos los bloques de un arcivo son grandes menos el *ltimo que es llamado fra$ment . /os tama5os se establecen al crear el sistema de arcivos, obligando que la proporci$n bloque6fragmento sea =8@. 1e debe conocer el tama5o del arcivo antes de copiarlo a disco, a fin de saber si debo copiar un bloque o un fragmento. &e otra forma tendr"a que copiar W fragmentos, y luego pasarlos a un bloque, causando ineficiencia. 18.8.2

I-nodos

Un arcivo se representa con un iDnodo que es un registro que guarda informaci$n acerca del arcivo. +ontiene8 7dentificadores de usuario y grupo. ora de *ltima modificaci$n y *ltimo acceso. +uenta del nn*mero de enlaces duros. #ipo de arcivo. @F punteros a bloques o G primeros: Apuntan a blo.ues directos , o sea son una direcci$n de un bloque de datos. o 8 siguientes: Apuntan a blo.ues indirectos .  Primero: Apunta a un blo.ue de indirecci*n sim!le , que es un bloque "ndice con punteros a bloques de datos.  Segundo: -s un puntero a un blo.ue de indirecci*n doble , el cual apunta a un bloque "ndice que contiene direcciones de bloques "ndices que apuntan a bloques de datos.  +ercero: -s un puntero a un blo.ue de indirecci*n tri!le . -n UD7O no se usa, ya que el tama5o de los arcivos puede alcanzar solo 2 bytes (por ser un sistema de direccionamiento de 2 bits), y para ello alcanza con el segundo. • • • • •

18.8.3 Directorios

1e representan igual que los arcivos, pero difieren en el campo tipo del i6nodo, adem%s que el directorio tiene una estructura espec"fica. /os primeros nombres de cada directorio son H.I y H..I. Para buscar un arcivo, voy recorriendo paso a paso el camino, y no todo junto, ya que en mucos casos, cuando cambio de dispositivo, tambi'n cambia el sistema de arcivos. -l *ltimo nombre de un camino, debe ser el de un arcivo. &ebido a la e!istencia de enlaces, para evitar ciclos, en una b*squeda no puedo pasar por m%s de = enlaces.


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/os arcivos que no est%n en disco (dispositivos) no tienen bloques asignados. -l n*cleo los detecta y llama a los controladores de -01 apropiados. 18.8.4 Transformaci ó n de un descriptor de archivo en un i-nodo

Para trabajar con un arcivo, debo pasar un descriptor de 'l como argumento a las llamadas al sistema. -l n*cleo lo usa como entrada de una tabla que apunta al i6nodo del arcivo. /a tabla de archivos abiertos tiene una longitud fija, por lo tanto no puedo abrir arcivos ilimitadamente. 18.8.5 Estructuras de disco

/os dispositivos f"sicos se dividen en dispositivos l$gicos, y cada uno de estos *ltimos define un sistema de arcivos f"sico, para diferentes usos. Una de las particiones es la de swa!. -l primer sector del dispositivo l$gico es el blo.ue de arran.ue que puede contener un programa de autoarranque primario, que llama al secundario que est% en los pr$!imos W,F Eb. 18.8.6 Organizaci ó n y pol í ticas de asignaci ón

-l n*cleo usa un par n8mero de dis!ositivo l*$ico5 n8mero de iDnodo _ para identificar un arcivo. Do puedo asegurar la confiabilidad del sistema de arcivos, ya que se mantiene en memoria, escribi'ndolo a disco cada 23 segundos. Por lo que un corte de energ"a podr"a producir inconsistencia. 1e introdujo el sistema de $ru!o de cilindros para localizar bloques de arcivos logrando casi no tener que mover la cabeza del disco. +ada cilindro guarda informaci$n *til para recuperaci$n. 1iempre se trata que todos los bloques de un arcivo est'n dentro del mismo grupo de cilindros. 18.9 Sistemas de E/S 1e trata de ocultar las peculiaridades de los dispositivos, y se ace en el n*cleo con el sistema de E( , que consiste en un sistema de buffers en cache, y drivers para los dispositivos (que conoce las peculiaridades de ellos). ay tres tipos principales de dispositivos8 Por blo5ues: &iscos y cintas. 1e pueden direccionar directamente en bloques de tama5o fijo. /as transferencias se acen a trav's del cache de buffers de blo.ues. Por caracteres: #erminales, impresoras, etc. Agrupa los dispositivos que no usan cache de buffers de bloques, como por ejemplo las interfaces de gr%ficos de alta velocidad. •

•

•

Intera! de socket

Un dispositivo se distingue por8 • •

+ipo #;mero de dispositi%o: 1e divide en8 #;mero de dispositi%o principal: 7ndica el lugar en el arreglo de •

•

dispositivo, para encontrar puntos de ingreso al driver apropiado. #;mero de dispositi%o secundario: -s interpretado por el driver, como por ejemplo una partici$n l$gica de disco, etc.


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FING - UDELAR 18.9.1 cache de buffers de bloques

+onsiste en varias cabeceras de buffer que pueden apuntar a memoria f"sica, a un n*mero de dispositivo, o a un n*mero de bloque en el dispositivo. /os buffers no usados se mantienen en tres listas8 ecientemente usados: -nlazados en orden /;U (/ista /;U). #o usados recientemente: 1in contenido v%lido (/ista AK-). ac/os: Do tienen memoria f"sica asociada (/ista -
Al requerir una lectura, se busca en el cache de buffers. 1i se encuentra, se usa, y si no se encuentra, se lee del dispositivo, y se guardan los datos en el cache, eligiendo un buffer de la lista AK-, o si est% vac"a, de la lista /;U. /a cantidad de datos del buffer es variable, y el tama5o m"nimo es el tama5o del c*mulo de paginaci$n. -l tama5o del cache, tiene un efecto considerable en el desempe5o del sistema, dependiendo de 'l, la cantidad de transferencias de -01 que se deben realizar. +uando escribo en una cinta, debo sincronizar los buffers, para que escriban en un orden determinado. +uando escribo en un disco, los puedo sincronizar para lograr el menor movimiento posible de la cabeza del disco. 18.9.2 Interfaces con dispositivos crudas

1e les llama a las interfaces por caracteres que tienen los dispositivos por bloques, y lo que acen es pasar por alto el cache de bloques. -n estos casos, el tama5o de la transferencia est% limitado por los dispositivos f"sicos, algunos de los cuales requieren un n*mero par de bytes. 18.9.3

Listas C

/os controladores de terminales usan un sistema de buffer de caracteres, que mantiene bloques peque5os de caracteres en listas enlazadas. #anto las salidas como entradas se controlan con interrupciones. /os editores de pantalla completa y otros programas que necesitan reaccionar con cada digitaci$n, usan el modo crudo que pasa por alto el buffer de caracteres. 18.10 Comunicación entre procesos (IPC) /a comunicaci$n entre procesos no es uno de los puntos fuertes de UD7O. -n mucos casos no se permite la memoria com!artida porque algunas arquitecturas no apoyaban su uso. -n los actuales si, pero de todas formas, presenta problemas en un entorno de red, ya que los accesos por la red no son tan r%pidos como los accesos locales, perdiendo la ventaja de velocidad en la memoria compartida. 18.10.1

Sockets

-s el mecanismo de 7P+ caracter"stico de UD7O. Un conducto permite establecer un flujo de bytes unidireccional entre dos procesos, y se implementan como arcivos ordinarios (con algunas e!cepciones). -l tama5o es fijo, y si esta lleno, los procesos que intentan escribir en 'l, se suspenden. +omo ventaja, es peque5o, y su escritura no pasa por disco, sino a trav's de los buffers de bloques. -n 4.2B1& se implementan con soc#ets, que proporcionan una interfaz general, tanto en la misma m%quina, como en redes. Puede ser usado entre procesos no relacionados entre s".


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FING - UDELAR

/os soc#et tienen vinculadas direcciones , cuya naturaleza depende del dominio de comunicaci*n del soc#et/ &os procesos que emplean el mismo dominio, tienen el mismo formato de direcciones. /os tres dominios que se implementan son el dominio de UD7O (A[UD7O), cuyo formato de direcciones es el de los nombres de caminos del sistema de arcivos (ej8 0casa0auto), el dominio de 7nternet (A[7D-#) y el de 1ervicios de red (A[D1). ay varios tipos de soc#ets, los cuales se clasifican dependiendo del servicio que realizan, y el recurso soc#et tiene un conjunto de llamadas espec"ficas al sistema. /uego de establecer una cone!i$n por soc#ets , se conocen las direcciones de ambos puntos, y no se necesita ning*n tipo de informaci$n para transferir datos. Algunos tipos de soc#et , no conocen cone!iones (datagramas), y se les debe especificar el destinatario del mensaje. 18.10.2

Soporte para redes

;econoce gran cantidad de protocolos de 7nternet, y el n*cleo se dise5$ con miras de facilitar la implementaci$n de protocolos adicionales. /os procesos de usuario se comunican con los protocolos de red a trav's del recurso de soc#ets\ y los soc#ets se apoyan con protocolos, los cuales prestan sus servicios. 1uele aber un driver de interfaz de red para cada tipo de controlador de red, que maneja las caracter"sticas espec"ficas de la red local, asegurando que los protocolos no tengan que preocuparse por ello. /as funciones de la interfaz de red, dependen del hardware de red, y de las funciones que 'l apoya (como trasmisi$n segura, etc.).


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FING - UDELAR

19 El sistema Linux 19.1 Historia -s muy parecido a UD7O y tiene la compatibilidad fue una de las metas de su dise5o. 1u desarrollo se inici$ en @TT@, para el =32=> (de 2 bits). -l c$digo fuente se ofrec"a gratuitamente en 7nternet, por lo tanto su istoria a sido una colaboraci$n de mucos usuarios de todo el mundo. 1e divide entre el n8cleo y un sistema /inu!. -l n*cleo fue desarrollado de cero por la comunidad /inu!, y el sistema incluye gran cantidad de componentes. -s un entorno est%ndar para aplicaciones y programaci$n, y una distribuci*n /inu! incluye todos los componentes est%ndar, junto con un conjunto de erramientas administrativas que simplifican la instalaci$n y desinstalaci$n de paquetes, etc. 19.1.1

El nú cleo de Linux

/a primera versi$n, en @TT@ no trabajaba con redes y s$lo se ejecutaba con procesadores compatibles con el =32=>, adem%s, el soporte de drivers era limitado. Do ten"a soporte para arcivos con correspondencia en memoria virtual, pero manejaba p%ginas compartidas. 1olo reconoc"a un *nico sistema de arcivos ( la versi$n .3 1oportaba m*ltiples arquitecturas (inclusive la Alpa de >4 bits) y arquitecturas multiprocesador. 1e mejor$ la gesti$n de memoria, y se introdujo soporte de ilos internos del n*cleo y carga autom%tica de m$dulos por demanda. 19.1.2 El sistema Linux

-l sistema /inu! es c$digo com*n a varios sistemas operativos tipo UD7O. /as bibliotecas principales se comenzaron como KDU, pero se fueron mejorando y agregando funcionalidades. -l sistema /inu! es mantenido por una red de desarrolladores que colaboran por 7nternet, pero se tiene un libro de normas, para asegurar la compatibilidad. 19.1.3 Distribuciones de Linux

7ncluyen el sistema /inu! b%sico, utilitarios de instalaci$n y administraci$n, paquetes, erramientas, procesadores de te!to, editores, juegos, etc. facilitando la tarea de la persona que lo quiere instalar en su m%quina, y poniendo cada componente en su lugar apropiado. ay distribuciones comerciales y no comerciales como ;ed at, 1u1-,

207

FING - UDELAR 19.1.4 Licencias de Linux

-l n*cleo se distribuye bajo la /icencia Publica Keneral de KDU. /os autores renunciaron a los derecos de autor sobre el software , pero los derecos de c$digo siguen siendo propiedad de dicos autores. /inu! es software gratuito, y nadie que aga un derivado, lo puede registrar como propio. 19.2 Principios de Dise ño /inu! es un sistema multiusuario, multitarea con un conjunto completo de erramientas compatibles con UD7O. /inu! desde sus principios procur$ sacar el m%!imo de funcionalidad posible en recursos limitados, por lo tanto puede ejecutarse en mucos sistemas peque5os. 19.2.1 Componentes de un sistema Linux

-l sistema /inu! se divide en tres partes principales de c$digo8 •

•

•

#;cleo:
memoria virtual y procesos. 7mplementa todas las operaciones necesarias para calificar como 1G. ibliotecas del sistema: &efinen un conjunto est%ndar de funciones a trav's de las cuales las aplicaciones pueden interactuar con el n*cleo y que implementan gran parte de la funcionalidad del 1G, que no necesita todos los privilegios del c$digo de n*cleo. "tilitarios del sistema: 1on programas que realizan tareas de administraci$n. 7mplementa por ejemplo los demonios que son procesos que se ejecutan de forma permanente.

-l c$digo de n*cleo se ejecuta en el modo privilegiado del procesador (modo de n8cleo) con pleno acceso a todos los recursos f"sicos. Do se incorpora c$digo del modo usuario en el n*cleo, el cual es colocado en bibliotecas del sistema. -l n*cleo de /inu! se crea como algo separado, aislado (estructura monol"tica) al igual que UD7O. -ste sistema tiene mucas ventajas, dado que el n*cleo se mantiene en un solo espacio de direcciones, no se requieren conmutaciones de conte!to cuando un proceso invoca a una funci$n del 1G. Adem%s dentro de ese espacio de direcciones se encuentra el c$digo de planificaci$n, memoria virtual central, todo el c$digo de n*cleo, incluido el de los drivers de dispositivos, sistema de arcivos y trabajo con redes. -l sistema operativo que el n*cleo de /inu! ofrece no se parece en absoluto a un sistema UD7O. altan mucas caracter"sticas e!tra de UD7O, y las funciones que si se ofrecen no son necesariamente del formato que utiliza UD7O. -l n*cleo no mantiene una interfaz con el 1G que ven las aplicaciones, mas bien las aplicaciones para comunicarse con el 1G deben acer llamadas a las bibliotecas del sistema las cuales solicitan servicios del 1G. /as bibliotecas del sistema ofrecen funcionalidad, permitiendo acer solicitudes de servicio al n*cleo, y otras rutinas como funciones matem%ticas, etc. /os programas en modo usuario, incluyen programas necesarios para iniciar el sistema, configurar la red, programas de inicio de sesi$n de usuarios, etc. #ambi'n incluye operaciones sencillas como listar directorios, trabajar con arcivos, y otras m%s complejas como procesadores de te!to, etc.


208

FING - UDELAR

19.3 Módulos del N úcleo -l n*cleo de /inu! tiene la facultad de cargar y descargar m$dulos del n*cleo cuando se le pide acerlo. -stos se ejecutan en modo de n*cleo privilegiado, teniendo acceso a todas las capacidades de hardware . /os m$dulos pueden implementar desde un driver asta un protocolo de redes. /a ventaja de esta modularizaci$n, es que cualquiera puede variar a su gusto algunos de los m$dulos n*cleo (usualmente no es necesario re6compilar todo el n*cleo, despu's que se izo una variaci$n en alg*n modulo del sistema). Gtra ventaja es que se puede configurar el sistema con un n*cleo m"nimo, y agregar controladores mientras se usa, como por ejemplo el montaje de un +&6;G<, etc. •

•

•

19.3.1

-l soporte de m$dulos en /inu! tiene tres componentes principales8 9esti-n de m-dulos: Permite cargar m$dulos en la memoria y comunicarse con el resto del sistema. egistro de controladores: Permite a los m$dulos notificar al resto del n*cleo que est% disponible un nuevo controlador. esoluci-n de conlictos: Permite a los drivers reservar recursos de hardware y protegerlos. Gestió n de m ód ulos

/a carga de un m$dulo no es solo la carga en memoria del n*cleo, sino que el sistema debe asegurarse de que cualquiera referencia que el m$dulo aga a s"mbolos o puntos de ingreso del n*cleo se actualicen de modo que apunten a las posiciones correctas dentro del espacio de direccionamiento del n*cleo. 1i el sistema no puede resolver alguna referencia del m$dulo, el m$dulo se recaza. /a carga se efect*a en dos etapas8 1e reserva un %rea continua de memoria virtual del n*cleo para el m$dulo, y se devuelve un puntero a esa direcci$n. 1e pasa el m$dulo junto con la tabla de s"mbolos al n*cleo, copiando el m$dulo sin alteraciones en el espacio previamente asignado. •

•

Gtro componente de la gesti$n de m$dulos encontramos el solicitador de m$dulos, que es una interfaz de comunicaci$n con la cual puede conectarse un programa de gesti$n de m$dulos. /a funci$n que cumple es de avisar cuando el proceso necesite un driver, o sistema de arcivo etc., que no este cargado actualmente, y dar% la oportunidad de cargar ese servicio. 19.3.2 Registro de controladores

-l n*cleo mantiene tablas din%micas de todos los controladores conocidos, y proporciona un conjunto de rutinas que permite a5adir o quitar controladores de de estas tablas en cualquier momento. /as tablas de registro incluyen los siguientes elementos8 Dri%ers de dispositi%os: 7ncluyen los dispositivos de caracteres (impresoras, teclados), dispositivos por bloques (&isco) y dispositivos de interfaz de red. Sistemas de arc*i%os: Puede ser cualquier cosa que implemente rutinas de invocaci$n del sistema de arcivos virtual de /inu!. Protocolos de red: Puede implementar un protocolo de red completo o un conjunto de reglas de un fire?all.
•

•

•


209


Resoluci ón de conflictos

/inu! ofrece un mecanismo central de resoluci$n de conflictos que ayuda a arbitrar el acceso a ciertos recursos de hardware . 1us objetivos son8 -vitar que los m$dulos entren en conflictos al tratar de acceder a recursos de hardware . -vitar que los sondeos de drivers que auto detectan la configuraci$n de un dispositivo interfieran con los drivers de dispositivos e!istentes. ;esolver conflictos entre m*ltiples drivers que tratan de acceder al mismo hardware . •

•

•

Para esto el n*cleo mantiene una lista de recursos de hardware asignados. Por lo que si cualquier controlador de dispositivo quiere acceder a un recurso, debe reservar primero el recurso en la lista del n*cleo. 1i la reservaci$n se recaza, debido a que esta en uso, corresponde al m$dulo decidir c$mo proceder. 19.4 Gestión de procesos 19.4.1 El modelo de proceso fork/exec

A diferencia de UD7O, en /inu! cualquier programa puede invocar e7ec%e en cualquier momento sin necesidad de crear un proceso nuevo. Bajo /inu! la informaci$n que contiene un proceso se puede dividir en varias secciones espec"ficas, descriptas a continuaci$n. 19.4.1.1 Identidad del proceso

+onsiste en los siguientes elementos8 •

•

•

Identiicador del proceso (PID): -s *nico y sirve para especificar procesos

al 1G. #ambi'n puede tener identificadores adicionales de grupo. $redenciales: +ada proceso debe tener asociado un identificador de usuario y uno o mas identificadores de grupo, que determinan los derecos de acceso a lo recursos y arcivos del sistema que el proceso tiene. Personalidad: +ada proceso tiene asociado un identificador de personalidad el cual sirve para modificar un poco las sem%nticas de ciertas llamadas al sistema. 1irven para crear compatibilidad con algunos sistemas UD7O.

19.4.1.2 Entorno del proceso

1e ereda del padre y consiste en dos vectores terminados con el car%cter nulo8 ector de argumentos: /ista los argumentos de l"nea de $rdenes que se usan para invocar el programa que se esta ejecutando (por convenci$n comienza con el nombre del programa del mismo). ector de entorno: -s una lista de pares DG
•

19.4.1.3 Contexto de un proceso

/a identidad del proceso no se cambia en su ejecuci$n. -l conte!to es el estado del programa en ejecuci$n en cualquier instante dado, y cambia constantemente. 1e divide en8 $onte7to de planiicaci-n: +ontiene la informaci$n que el planificador necesita para suspender y reiniciar el proceso. 1e incluye copias guardadas •


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•

•

•

de todos los registros del proceso. #ambi'n incluye informaci$n acerca de la prioridad de planificaci$n, y de se5ales pendientes que esperan ser entregadas al proceso. $ontabilidad: -l n*cleo mantiene informaci$n acerca de los recursos que cada proceso est% consumiendo, y el total de recursos que el proceso a consumido durante toda su e!istencia. +ablas de arc*i%os: -s un arreglo de punteros a estructuras de arcivos del n*cleo. Al efectuarse una llamada al sistema para -01 con arcivos, los procesos se refieren a los arcivos empleando su "ndice en esta tabla. $onte7to del sistema de arc*i%os: Kuarda los nombres de los directorios ra"z y por omisi$n que se usar%n para buscar arcivos. +abla de mane4adores de seales: &efine la rutina invocara cuando lleguen se5ales espec"ficas. $onte7to de memoria %irtual: &escribe todo el contenido del espacio de direcciones privado de dico proceso.

19.4.2 Procesos e Hilos

&os ilos adentro de un proceso, a diferencia de los procesos, comparten el mismo espacio de direcciones. -l n*cleo de /inu! maneja de forma sencilla la creaci$n de ilos y procesos, ya que utiliza e!actamente la misma representaci$n interna para todos. Un ilo no es m%s que un proceso nuevo que comparte el mismo espacio de direcciones que su padre. /a distinci$n entre un proceso y un ilo se ace s$lo cuando se crea un ilo nuevo con la llamada clone.
/a sincronizaci$n del n*cleo implica muco m%s que la simple planificaci$n de procesos. 1e requiere una estructura que permita la ejecuci$n de las secciones cr"ticas del n*cleo sin que otra secci$n cr"tica la interrumpa, para que se puedan ejecutar concurrentemente las tareas del n*cleo con las rutinas de servicio de interrupciones. /a primera t'cnica para solucionar el problema radica en acer no e!propiable el c$digo de n*cleo normal. Una vez que un fragmento del c$digo del n*cleo comienza a ejecutarse se puede garantizar que ser% el *nico c$digo del n*cleo que se ejecute asta que pase algo de lo siguiente8 Interrupci-n: 1olo son un problema si sus rutinas de servicio contienen secciones cr"ticas.
•


211

FING - UDELAR •

lamada al planiicador desde el c-digo del n;cleo: -l proceso se

suspender% y abr% una replanificaci$n.

-n conclusi$n con esta t'cnica el c$digo del n*cleo nunca ser% desalojado por otro proceso, y no es necesario tomar medidas especiales para proteger las secciones cr"ticas, teniendo como precondici$n que las secciones cr"ticas no tenga referencias a memoria de usuario ni esperas para que termine una -01. /a segunda t'cnica que /inu! utiliza para proteger a las secciones cr"ticas es inabilitando las interrupciones durante una secci$n critica, garantizando que podr% continuar sin que aya peligro de acceso concurrente a estructuras de datos compartidas. -l problema de este sistema es que muy costoso. /inu! plantea una soluci$n intermedia para poder aplicar secciones cr"ticas largas sin tener que inabilitar las interrupciones. Para esto divide en varias partes el servicio de interrupciones. Manejador de interrupciones de la mitad superior Manejador de interrupciones de mitad inferior Rutinas de servicios del núcleo – sistema (no desalojables) Programas en modo usuario (desalojables)

+ada nivel puede ser interrumpido por c$digo que se ejecute en un nivel m%s alto, pero nunca por c$digo del mismo nivel, o de un nivel inferior, con e!cepci$n del c$digo en modo de usuario.

19.5.2 Planificaci ó n de procesos

/inu! tiene dos algoritmos de planificaci$n de procesos independientes8 •

Algoritmo de tiempo compartido para una planiicaci-n e7propiati%a 4usta entre procesos: -s implementado con prioridad basada en cr-ditos .

+ada proceso tiene un cierto n*mero de cr'ditos de planificaci$n, cuando es preciso escoger una nueva tarea para ejecutar se selecciona el proceso con mas cr'ditos. +ada vez que se produce una interrupci$n del temporizador el proceso pierde un cr'dito, cuando llegan a cero se suspende y se escoge otro proceso. Adem%s se tiene una forma de renovaci$n de cr'ditos en las que se a5aden cr'ditos a todos los procesos del sistema (cr'dito  cr'dito 0 M prioridad).

•

Algoritmo para tareas en tiempo real en las 5ue las prioridades absolutas son m3s importantes 5ue la e5uitati%idad: +on este sistema

el procesa que entra primero es el proceso que tiene mas prioridad (utiliza una cola circular), si ay dos con la misma prioridad ejecuta el proceso que a esperado mas tiempo. -ste planificador es de tiempo real blando, ofrece garant"as acerca de las prioridades pero no acerca de la rapidez. 19.5.3 Multiprocesamiento sim ét rico

-l n*cleo de /inu! implementa correctamente el multi!rocesamiento sim-trico (1

212

FING - UDELAR

19.6 Gestión de memoria /a gesti$n de memoria en /inu! tiene dos componentes8 Sistema de gesti-n de memoria /sica: 1e encarga de asignar y liberar p%ginas, grupos de p%ginas y bloques peque5os de memoria. Sistema de gesti-n de memoria %irtual:
•

19.6.1

Gestió n de memoria f ís ica

-l administrador primario de memoria f"sica es el asignador de p%ginas, encargado de asignar y liberar todas las p%ginas f"sicas adem%s de asignar intervalos de p%ginas contiguas f"sicamente si se lo solicitan. -l asignador utiliza el algoritmo de mont?culo de com!aMeras para saber las p%ginas que est%n disponibles. 1i dos regiones compa5eras asignadas quedan libres se combinan para formar una regi$n m%s grande. 1i se solicita una peque5a, y no ay, se subdivide recursivamente una grande, asta lograr el tama5o deseado. /as funciones del n*cleo no tienen que usar el asignador b%sico para reservar memoria, e!isten otros subsistemas de gesti$n de memoria especializados, dentro de ellos encontramos8 • •

Memoria irtual. Asignador de longitud %ariable: Utiliza el asignador de p%ginas #malloc5 el

cual cumple solicitudes de tama5o arbitrario que no necesariamente se conocen con anticipaci$n. -ste asignador esta protegido contra interrupciones. &l cache de uffer : -s el cache principal del n*cleo para dispositivos orientados a bloques. &l cache de p3ginas: Almacena p%ginas enteras del contenido de arcivos, de todo tipo de dispositivos (no solo bloques). /os tres sistemas interact*an entre ellos. •

•

19.6.2 Memoria virtual

1e encarga de mantener el espacio de direcciones visible para cada proceso. 1e crean p%ginas por solicitud.
•

19.6.2.1 Regiones de memoria virtual

ay varios tipos dependiendo de las propiedades8 Almacenamiento au7iliar: &escribe el origen de las p%ginas de una regi$n. 1e puede respaldar en un arcivo, o no respaldar (tipo m%s sencillo de memoria virtual). eacci-n a las escrituras: /a correspondencia entre una regi$n y el espacio de direcciones del proceso puede ser !rivada o com!artida . •

•


213

FING - UDELAR •

•

Pri%ada: 1e requiere copiar al escribir para que los cambios sean

locales al proceso. $ompartida: 1e actualiza para que todos los procesos vean de inmediato la modificaci$n.

19.6.2.2 Tiempo de vida de un espacio de direcciones virtual

ay dos formas de crear procesos8 ●

ec: Se crea un espacio de direcciones virtual nuevo.
+uando debo copiar una regi$n de correspondencia privada, las modificaciones que agan el ijo y el padre son privadas, por lo tanto la p%gina se debe marcar como solo lectura, para que se deba realizar una copia antes de modificarla.

19.6.2.3 Intercambio y paginaci ó n

/os primeros sistemas UD7O intercambian a disco procesos enteros. Actualmente se intercambian p%ginas. -l sistema de paginaci$n se divide en dos secciones8 Algoritmo de pol/tica: &ecide que p%ginas pasar a disco y cuando escribirlas. Mecanismo de paginaci-n: #ransfiere la p%gina a memoria cuando se la necesita. •

•

/inu! emplea un mecanismo modificado del algoritmo de segunda oportunidad. 19.6.2.4 Memoria virtual del n ú cleo

/inu! reserva para el n*cleo una regi$n constante, que depende de la arquitectura, y las entradas de la tabla de p%ginas correspondiente a esa zona, se marcan como protegidas. -sta %rea contiene dos regiones8 &st3tica: +ontiene referencias de tabla de p%ginas, a cada p%gina de memoria f"sica disponible en el sistema, para traducir f%cilmente direcciones f"sicas en virtuales cuando se ejecuta c$digo del n*cleo. Sin prop-sito espec/ico: -l n*cleo en esta zona puede modificar entradas de tabla de p%ginas para que apunten donde quiera. •

•

Ejecuci ó n y carga de programas de usuario /a ejecuci$n se dispara con la llamada al sistema e7ec, que ordena ejecutar un

19.6.3

programa nuevo dentro del proceso actual. /as tareas del 1G son8 @. Jerificar que el proceso invocador tenga permiso de acerlo. . 7nvocar la rutina de carga para iniciar la ejecuci$n del programa. Do ay una *nica rutina de carga sino que /inu! mantiene una tabla de rutinas cargadoras, ya que en la evoluci$n de /inu!, se cambi$ el formato de los arcivos binarios. Antiguamente el formato era .out, actualmente es -/, que es m%s fle!ible y e!tensible. 19.6.4 Correspondencia entre los programas y la memoria


214

FING - UDELAR memoria virtual del n úcleo

memoria invisible para código en modo de usuario

pila

región de correspondencia con la memoria

Organización de la memoria para programas ELF

región de correspondencia con la memoria región de correspondencia con la memoria el puntero ‘brk’

datos de tiempo de ejecuci ón datos sin valores iniciales datos con valores iniciales texto del programa

región prohibida

Al comenzar la ejecuci$n, no se carga el programa en memoria f"sica, sino que se establece la correspondencia entre las p%ginas del arcivo binario, y las regiones de memoria virtual. 1olo cuando el programa trata de acceder a una p%gina, se genera un fallo de p%gina, y se la trae a la memoria f"sica. -l formato -/ consiste en una cabecera seguida de varias secciones alineadas con p%ginas. -l cargador lee la cabecera y establece correspondencia entre las secciones del programa y la memoria virtual. 19.6.4.1 Enlazado est át ico y din ám ico

/uego de cargar el programa, tambi'n se necesita cargar en memoria las funciones del sistema que utiliza este programa. -n el caso m%s sencillo, est%s se incrustan en el c$digo binario (enlace est%tico) con el problema que se repite gran cantidad de c$digo entre todos los programas. -l enlace dinámico soluciona este problema. /inu! implementa el enlace din%mico a trav's de una biblioteca. +uando enlazo el programa, se coloca en 'l un peque5o programa con instrucciones para cargar esas bibliotecas que necesita. /as bibliotecas se compilan en c$digo independiente de la posici$n (P7+) que se puede ejecutar en cualquier direcci$n de memoria. 19.7 Sistema de archivos Usa el sistema de arcivos est%ndar de UD7O. Un arcivo no tiene que ser un objeto, sino que puede ser cualquier cosa capaz de manejar la entrada y salida de datos, como por ejemplo un driver. A trav's de una capa de software , el sistema de archivos virtual (J1) se encarga de abstraer sus peculiaridades. 19.7.1 El sistema de archivos virtual

-st% orientado a objetos y tiene dos componentes8 &efiniciones sobre el aspecto del arcivo. /os tres tipos principales de objetos son8 i?nodo, ob4eto arc*i%o: 1on mecanismos empleados para acceder a arcivos. i?nodo: ;epresenta el arcivo como un todo.
•

•

•

•


215

FING - UDELAR •

+apa de software para manejar dicos objetos.

1e define un conjunto de operaciones que cada uno de los tres tipos debe implementar, as" la capa de software , puede realizar funciones sobre los objetos independientemente de su tipo. /os arcivos de directorio en /inu! se manejan de una forma un tanto diferente a los dem%s arcivos, por lo tanto tienen definidas operaciones espec"ficas. 19.7.2 El sistema de archivos Linux ext2fs

-s similar al ffs (fast file system) de B1&. /os arcivos de directorio se almacenan en disco, al igual que los arcivos normales, pero su contenido se interpreta de diferente manera. -!tfs no usa fragmentos, sino que realiza todas sus asignaciones en unidades m%s peque5as. -l tama5o del bloque es de @Nb (aunque tambi'n se manejan bloques de  y 4 Eb). -st% dividido en $ru!os de blo.ues, y dentro de ellos, el planificador trata de mantener las asignaciones f"sicamente contiguas, tratando siempre de reducir la fragmentaci$n. Adem%s la fragmentaci$n se compensa con que los bloques est%n cercanos, por lo tanto no es necesario mover muco la cabeza del disco para leerlos a todos. 19.7.3 El sistema de archivos proc de Linux

-l sistema de archivos de !rocesos es un sistema de arcivos cuyo contenido no est% almacenado realmente en ninguna parte sino que se calcula bajo demanda, seg*n las solicitudes de -01 de los usuarios. +ada subdirectorio no corresponde a un directorio de disco, sino a un proceso activo del sistema, y el nombre del directorio es la representaci$n A1+77 del P7& del proceso. &e esta forma se puede dar un listado de todos los procesos activos con solamente la llamada al sistema ps. 19.8 Entrada y salida /os drivers de dispositivos son arcivos, por lo tanto un usuario puede abrir un canal de acceso a un dispositivo de la misma forma que puede abrir cualquier otro arcivo. Adem%s, puede utilizar el mismo sistema de protecci$n de arcivos para proteger los dispositivos. /inu! divide todos los dispositivos en tres clases8 Dispositi%os por blo5ues: 1uelen usarse para almacenar sistemas de arcivos, pero tambi'n se permite el acceso directo a estos dispositivos para que los programas puedan crear y reparar el sistema de arcivos que el dispositivo contiene. Dispositi%os por caracteres: Do necesitan apoyar toda la funcionalidad de los arcivos normales. Por ejemplo, es *til manejar una b*squeda en un dispositivo de cinta, pero no en un mouse. Dispositi%os de red: 1e tratan de manera diferente. /os usuarios no pueden transferir datos directamente, sino que deben abrir una cone!i$n. •

•

•

19.8.1 Dispositivos por bloques

Para asegurar un r%pido acceso a los discos se utiliza el cache de buffers de blo.ues y el $estor de solicitudes.


216

FING - UDELAR 19.8.1.1 El cache de buffers por bloques

-l cache de buffers sirve como reserva de buffers para -01 activa y como cache para la -01 finalizada. -l cache de buffers cuenta con dos partes8 os uffers mismos: 1on un conjunto de p%ginas cuyo tama5o cambia din%micamente y se asignan desde la reserva de memoria principal del n*cleo. +ada p%gina se divide en varios buffers de igual tama5o. os uffer N*eads: 1on un conjunto de descriptores de buffers de cache. +ontienen la informaci$n que el n*cleo tiene acerca de los buffers (el dispositivo al que pertenece el buffer , la distancia entre los datos dentro de ese dispositivo, y el tama5o del buffer ). •

•

/os buffers son guardados en diferentes tipos de listas8 para buffers limpios, sucios, bloqueados y libres. ay dos demonios en segundo plano que ayudan a escribir los buffers sucios. Uno se despierta a intervalos regulares, y escribe los buffers que an estado sucios por un determinado tiempo. -l otro es un ilo del n*cleo que se despierta cuando ay una proporci$n demasiado alta del cache de buffers que est% sucia. 19.8.1.2 El gestor de solicitudes

-s la capa de software que controla la lectura y escritura del contenido de los buffers de y a un driver de dispositivo por bloque. 1e mantiene una lista individual de solicitudes para cada controlador de dispositivo por bloques, y las solicitudes se planifican seg*n el algoritmo +61+AD. A medida que se acen nuevas solicitudes de -01, el gestor intenta fusionar las solicitudes de las listas por dispositivo, pasando de varias solicitudes peque5as, a una grande. 1e pueden acer solicitudes de -01 que pasen por alto el cache de buffers, y se usa generalmente en el n*cleo, y en memoria virtual. 19.8.2 Dispositivos por caracteres

-l n*cleo pr%cticamente no preprocesa las solicitudes de leer o escribir en un dispositivo por caracteres, y se limita a pasar la solicitud al dispositivo en cuesti$n para que 'l se ocupe de ella. 19.9 Comunicaci ón entre Procesos 19.9.1 Sincronizaci ón y se ñ ales

Para informar a un proceso que sucedi$ un suceso se utiliza una seMal. -ste sistema tiene la desventaja de que el n*mero de se5ales es limitado y estas no pueden enviar informaci$n, solo puede comunicar a un proceso el eco de que ocurri$ un suceso. -l n*cleo de /inu! no usa se5ales para comunicarse con los procesos que se est%n ejecutando en modo de n*cleo. Keneralmente ay una cola de espera para cada suceso, y cuando ese suceso se produce, despierta todos los procesos que est%n en esa cola. Gtra forma que utiliza /inu! como comunicaci$n son los sem%foros.


217

FING - UDELAR 19.9.2 Transferencia de datos entre procesos

/inu! ofrece el mecanismo !i!e (conducto) que permite a un proceso ijo eredar un canal de comunicaci$n con su padre. /a memoria compartida ofrece un mecanismo e!tremadamente r%pido para comunicar cantidades grandes o peque5as de datos. Pero tiene como desventaja que no ofrece mecanismo de sincronizaci$n, por lo cual es recomendable usarla con alg*n otro m'todo de sincronizaci$n. 19.10 Estructura de redes /inu! apoya tanto los protocolos est%ndar de 7nternet de UD7O y de otros 1G. -l trabajo de redes se implementa con tres capas de software 8 Intera! de sockets: /as aplicaciones de usuario efect*an todas las solicitudes de trabajo con redes a trav's de esta interfaz. $ontroladores de protocolos: +ada vez que llegan datos de trabajo con redes a esta capa, se espera que los datos est'n etiquetados con un identificador que indique el protocolo de red. +uando termina de procesar los paquetes, los env"a a la siguiente capa. &ecide a que dispositivo debe enviar el paquete. Dri%ers de dispositi%os de red: +odifican el tipo de protocolo de diferentes maneras dependiendo de su medio de comunicaci$n. •

•

•

/os paquetes de 7P se entregan al controlador de 7P. -ste debe decidir acia donde est% dirigido el paquete, y remitirlo al driver de protocolo indicado. -l software de 7P pasa por !aredes cortafue$os, filtrando los paquetes para fines de seguridad. Gtras funciones son el desensamblado y reensamblado de paquetes grandes, para poder encolarlos en dispositivos en fra$mentos m%s peque5os si no pueden ser encolados por su tama5o. 19.11 Seguridad /os problemas de seguridad se pueden clasificar en dos grupos8 alidaci-n: Asegurarse de que solo personas autorizadas puedan ingresar al sistema. $ontrol de acceso: Proporcionar un mecanismo para verificar si un usuario tiene derecos suficientes para acceder a un objeto dado. •

•

19.11.1

Validaci ón

/a contrase5a de un usuario se combina con un valor aleatorio y resultado se codifica con una funci$n de transformaci$n unidireccional (esto implica que no es posible deducir la contrase5a original a partir del arcivo de contrase5a) y se almacena en el arcivo de contrase5as. +uando el usuario la ingresa, se vuelve a codificar, y se busca en el arcivo codificado para ver si coincide. 19.11.2

Control de acceso

1e realiza con la ayuda de identificadores num'ricos *nicos. -l uid identifica un solo usuario o un solo conjunto de derecos de acceso, y un $id es un identificador de grupo. +ada objeto disponible en el sistema que esta protegido por los mecanismos de control de acceso por usuario y grupo tiene asociado un solo uid y un solo gid. /inu! efect*a el control de acceso a los objetos mediante una mascara de !rotecci*n, que especifica cu%les modos de acceso (lectura, escritura, o ejecuci$n) Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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abr%n de otorgarse a procesos con acceso de propietario, acceso a grupos o al mundo. Gtros de los mecanismos que ofrece es el setuid, el cual permite a un programa ejecutarse con privilegios distintos de los que tiene el usuario que ejecuta el programa. Examen ulio 200+: Ex!li.ue brevemente !ara .ue sirve el bit de Osetuid< en 1nix/ es!uesta: (i un eecutable tiene el (EH147 encendido5 y lo eecuta un usuario distinto al .ue lo cre*5 el nuevo !roceso tendrá5 en efectividad5 el 147 del usuario dueMo del eecutable/ Esto sirve5 !or eem!lo5 !ara dar un acceso controlado5 mediante un eecutable5 a dis!ositivos de E( o archivos !rivile$iados/ 'or eem!lo5 el comando de cambio de !assword es !ro!iedad de un su!erusuario5 tiene el bit (EH147 encendido5 y actualiza un archivo de !asswords/ (in (EH1475 habr?a .ue !rohibir a los usuarios .ue cambien su !ro!ia !assword5 o darle demasiados !ermisos a ese archivo/


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20 Windows NT -s un sistema operativo multitareas, e!propiativo de 2 bits para microprocesadores modernos. D# se puede trasladar a varias arquitecturas, y asta la versi$n 4 no es multiusuario. /as dos versiones de D# son Lindo?s D# LorNstation y Lindo?s D# 1erver. Ambas usan el mismo c$digo para el n*cleo y el sistema, pero el 1erver est% configurado para aplicaciones cliente6servidor. 20.1 Historia A mediados de los =3Is . -n @T==
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&7tensibilidad: 1e implement$ con una arquitectura de capas a fin de

mantenerse al d"a con los avances tecnol$gicos. -l ejecutivo D# que opera en modo protegido, proporciona los servicios b%sicos, y encima operan varios subsistemas servidores en modo usuario, entre los cuales se encuentran los subsistemas de entorno o ambiente que emulan diferentes sistemas operativos. -s posible a5adir nuevos subsistemas de entorno f%cilmente, adem%s D# utiliza controladores cargables, para poder cargar nuevos sistemas de arcivos, dispositivos de -01, etc, mientras el sistema est% trabajando. +ransportabilidad: +asi todo el sistema fue escrito en + y +MM, al igual que UD7O, y todo el c$digo que depende del procesador est% aislado en una &// llamada ca!a de abstracci*n de hardware BNA%; . /as capas superiores de D# dependen de la A/ y no del hardware , ayudando a la portabilidad. $oniabilidad: -mplea protecci$n por hardware para la memoria virtual y por software para los recursos del 1G. Posee tambi'n un sistema de arcivos propio (D#1) que se recupera autom%ticamente de mucas clases de errores del sistema de arcivos despu's de una ca"da del sistema. $ompatibilidad: Gfrece compatibilidad en el nivel de fuente (se compilan sin modificar el c$digo fuente) con aplicaciones que cumplen el est%ndar 7--@332.@ (PG17O). -jecuta tambi'n binarios de mucos programas compilados para 7ntel O=>. -sto se logra mediante los subsistemas de entorno antes mencionados, aunque la compatibilidad no es perfecta, ya que por ejemplo, <16&G1 permit"a accesos directos a los puertos de hardware y D# pro"be tal acceso. Sistemas Operativos - Actualizado al 2008

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Desempeo: /os subsistemas se comunican de forma eficiente llamando a

procedimientos locales que transfieren mensajes con gran rapidez. "so internacional: +uenta con soporte para diferentes ubicaciones a trav's de la AP7 de soporte a idiomas nacionales (D/1). -l c$digo de caracteres nativo es UD7+G&-, aunque reconoce caracteres AD17, convirti'ndolos en UD7+G&- (= bytes a @> bytes).

20.3 Componentes del sistema /a arquitectura D# es un sistema de m$dulos en capas. Una de las principales ventajas de este tipo de arquitectura es que las interacciones entre los m$dulos son relativamente sencillas. 20.3.1 Capa de abstracci ón de hardware

proceso logon

aplicaciones OS/2

aplicaciones Win16

subsistema de seguridad

subsistema OS/2

VDM Win16

aplicaciones WIn32

aplicaciones MS-DOS

aplicaciones POSIX

VDM MSDOS

subsistema POSIX

paquete de validación

subsistema Win32

base de datos de seguridad-gestor de cuentas

-s una capa de software que oculta las diferencias de hardware para que no las perciban los gestor de E/S niveles superiores, y lograr portabilidad. -s usada por el n*cleo y los drivers de dispositivos, por lo tanto solo se necesita una versi$n de cada driver, para las diferentes plataformas de hardware . Por razones de desempe5o, los controladores de -01 y de gr%ficos acceden directamente al hardware . sistema de archivos

gestor de objetos

monitor de referencias de seguridad

gestor de procesos

modo de usuario

gestor de memoria virtual

recurso de llamadas a procedimientos locales

gestor de chaché drivers de dispositivos

núcleo

controladores de red

capa de abstracción de hardware modo de núcleo

hardware

20.3.2

Nú cleo

+onstituye los cimientos del ejecutivo y los subsistemas. 1iempre est% cargado en memoria principal. #iene cuatro obligaciones principales8 Planificaci$n de ilos
-st% orientado a objetos. /os objetos est%n definidos por el sistema, y tiene atributos y m'todos. Lindo?s D#, tambi'n maneja los conceptos de ilos y procesos. -l proceso tiene un espacio de direcciones en memoria virtual, informaci$n sobre prioridad, y afinidad por uno o m%s procesadores. +ada proceso tiene uno o m%s ilos, y cada ilo tiene su propio estado, que incluye prioridad, afinidad de procesador e informaci$n de contabilidad. -stados de los ilos8


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clases8 • •

isto: -spera para ejecutarse. A punto: -l ilo listo con la prioridad m%s alta se pasa a este estado,

implicando que ser% el siguiente ilo en ejecutarse. 1e mantiene un ilo a punto para cada procesador, en un sistema multiprocesador. &4ecut3ndose: 1e ejecuta n un procesador asta ser desalojado por un ilo de m%s alta prioridad, asta terminar, asta que se agote su cuanto de tiempo o asta que necesite -01. &sperando: -spera una se5al, como por ejemplo el fin de -01. +ransici-n: -spera los recursos necesarios para ejecutarse. +erminado: #ermin$ su ejecuci$n. -l despacador tiene un esquema de 2 niveles de prioridad, dividido en dos +iempo real: ilos con prioridad de @> a 2@. $lase %ariable: ilos con prioridad de 3 a @F.

-l despacador usa una cola para cada prioridad, y las recorre de mayor a menor, buscando el primer ilo listo a ser ejecutado. +uando se agota el cuanto de un ilo, se interrumpe, y si el ilo es de prioridad variable, la prioridad se reduce, aunque nunca por debajo de la prioridad base. +uando un ilo de prioridad variable sale del estado de espera, se aumenta su prioridad. -sta estrategia tiende a mejorar los tiempos de respuesta de los ilos interactivos que est%n usando el rat$n y las ventanas, manteniendo los dispositivos de -01 ocupados por los ilos limitados por -01, y que los ilos limitados por +PU, act*en en segundo plano con los ciclos de +PU sobrantes. Adem%s, la ventana actual con la que el usuario est% interactuando, recibe un aumento de prioridad para reducir su tiempo de respuesta. 1i un ilo de tiempo real, con prioridad m%s alta queda listo mientras se ejecuta un ilo con mas baja prioridad, 'ste es desalojado, por lo tanto la e!propiaci$n proporciona acceso preferencial al +PU a los ilos de tiempo real, sin embargo, no se pueden garantizar que se cumplan los l"mites de tiempo, y por ello D# no es un sistema de tiempo real duro. -l n*cleo tambi'n maneja trampas para e!cepciones e interrupciones por hardware o software . D# define e!cepciones independientes de la arquitectura como violaci$n de acceso a memoria, desbordamiento de enteros, desbordamiento acia infinito o cero de punto flotante, divisi$n entera entre cero, divisi$n punto flotante entre cero, instrucci$n no v%lida, falta de alineaci$n de datos, instrucci$n privilegiada, error de lectura de p%gina, violaci$n de p%gina guardia, etc. -l manejador de trampas se encarga de e!cepciones sencillas, y el des!achador de exce!ciones del n*cleo se encarga de las dem%s, buscando manejadores que se encarguen de ellas. +uando ocurre una e!cepci$n en modo de n*cleo, si no se encuentra el manejador correcto, ocurre un error fatal del sistema, presentando la pantalla azul que significa, fallo del sistema. -l n*cleo utiliza una tabla de des!acho de interru!ciones para vincular cada nivel de interrupci$n con una rutina de servicio, y en un computador multiprocesador, D# mantiene una tabla para cada procesador. D# se puede ejecutar en m%quinas con multiprocesadores sim'tricos, por lo tanto el n*cleo debe evitar que dos ilos modifiquen estructuras de datos compartidas al mismo tiempo. Para lograr la mutua e!clusi$n, el n*cleo emplea cerraduras giratorias que residen en memoria global. &ebido a que todas las actividades del procesador se suspenden cuando un ilo intenta adquirir una cerradura giratoria, se trata que sea liberada lo m%s r%pido posible.


222


Ejecutivo

Presta un conjunto de servicios que los subsistemas de entorno pueden usar. 20.3.3.1 Gestor de objetos

D# es un sistema orientado a objetos, y el gestor supervisa su uso. +uando un ilo desea usar un objeto, debe invocar el m'todo open del gestor de objetos, para obtener un handle para ese objeto. Adem%s el gestor se encarga de verificar la seguridad, verificando si el ilo tiene dereco de acceder a ese objeto. -l gestor tambi'n se mantiene al tanto de que procesos est%n usando cada objeto. 1e encarga de eliminar objetos temporales cuando ya no ay referencias a ellos (Dota8 algo del estilo garbage+ollector). 20.3.3.2 Nombres de objetos

D# permite dar nombres a los objetos. -l espacio de nombres es global, por lo tanto un proceso puede crear un objeto con nombre, y otro, puede acer un andle acia 'l, y compartirlo con el primer proceso. -l nombre puede ser temporal o permanente. Uno permanente representa entidades, como unidades de disco que e!iste aunque ning*n proceso lo est' usando. /os temporales e!isten mientras alguien aga referencia a ellos (Dota8 no sobreviven al garbage+ollector). /os nombres de objeto tienen la misma estructura que los nombres de camino de arcivos en <16&G1 y UD7O. /os directorios se representan con un obeto directorio , que contiene los nombres de todos los objetos de ese directorio. -l espacio de nombres de objetos aumenta al agregar un dominio de obetos , como por ejemplo discos fle!ibles y duros, ya que estos tienen su propio espacio de nombres que se debe injertar en el espacio de nombres e!istente. Al igual que UD7O, D# implementa un obeto de enlace simb*lico , refiri'ndose a un mismo arcivo con varios seud$nimos o alias, como por ejemplo la correspondencia de nombres de unidades en D#, con las letras de unidad est%ndar de <16&G1. +ada proceso crea andle a varios objetos, los cuales son almacenados en una tabla de obetos del proceso, y al terminar, D# cierra autom%ticamente todos esos andle. +ada objeto est% protegido por una lista de control de acceso que contiene los derecos de acceso. -l sistema los compara con los derecos de acceso del usuario que intenta acceder al objeto, y verifica si puede acerlo. -sta verificaci$n solo se ace al abrir el objeto, y no al crear un andle, por lo tanto los servicios internos de D# que usan andle, pasan por alto la verificaci$n de acceso. 20.3.3.3 Gestor de memoria virtual

-l dise5ador del gestor, supone que el hardware apoya la correspondencia virtual a f"sica, un mecanismo de paginaci$n y coerencia de cache transparente en sistemas multiprocesador, y que permite acer que varias entradas de la tabla de p%ginas, correspondan al mismo marco de p%gina. Utiliza un esquema de gesti$n basado en p%ginas con un tama5o de 4 EB, y usa direcciones de 2 bits, por lo tanto cada proceso tiene un espacio de direcciones virtual de 4KB. /os  KB superiores son id'nticos para todos los procesos, y D# los usa en modo n*cleo. /os KB inferiores son distintos para cada proceso y son accesibles en modo usuario o n*cleo. &os procesos pueden compartir memoria obteniendo andle para el mismo objeto, pero ser"a ineficiente ya que los dos deber"an reservar el espacio de memoria, antes


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FING - UDELAR

de poder acceder al objeto. Para ello se cre$ el obeto secci*n que representa un bloque de memoria compartida, y que se maneja con andle. Un proceso puede controlar el uso de un objeto en memoria compartida. Puede protegerse de modo lectura6escritura, solo lectura, solo ejecuci$n, p%gina guardia y copiar al escribir. /a p%gina guardia genera una e!cepci$n si es accedida, y sirve por ejemplo para controlar si un programa defectuoso va m%s all% del tope de un arreglo. -l mecanismo de copiar al escribir, permite aorrar memoria, ya que si dos procesos desean copias independientes de un mismo objeto, coloca una sola copia compartida en la memoria, activando la propiedad de copiar al escribir en esa regi$n de memoria, y si uno de los objetos desea modificar los datos, el gestor ace primero una copia privada de la p%gina para que ese proceso la use. /a traducci$n de direcciones virtuales de D# usa varias estructuras de datos. +ada directorio de páginas entrada de directorio de páginas 0

entrada de directorio de páginas 1023

tabla de páginas 0

tabla de páginas 1023

entrada de tabla de páginas 0




página de 4K

página de 4K

página de 4K

página de 4K

proceso tiene un directorio de !á$inas que contiene @34 entradas de directorio de !á$inas B'7E; de cuatro bytes cada una. -l directorio es privado, pero podr"a compartirse entre procesos si fuera necesario. +ada entrada de directorio, apunta a una tabla de !á$inas que contiene @34 entradas de tabla de !á$inas B'HE; de cuatro bytes cada una, y cada entrada de tabla de !á$inas apunta a un marco de !á$ina de 4 EB en la memoria f"sica. 31 0 Una direcci$n de memoria virtual de 2 bits se divide en tres enteros. /os primeros @3 son el PDE PTE distancia de p gina "ndice de directorio de p%gina, seleccionando la entrada al directorio de p%ginas que apunta a una tabla de p%ginas. /os siguientes @3 bits sirven para escoger una P#- de esa tabla de p%ginas, la cual apunta a un marco de p%gina en la memoria f"sica. /os restantes F2 bits se usan para describir la p%gina. á

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/a p%gina puede estar en seis estados8 3lida: Usada por un proceso activo. ibre: Do se ace referencia en ninguna P#-. &n ceros: P%gina libre, con ceros, lista para usarse de inmediato. A punto: a sido eliminada del conjunto de trabajo de un proceso. Modiicada: 1e a escrito pero todav"a no se copi$ en disco. Deectuosa: Do puede utilizarse porque se detect$ un error de hardware .


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-l principio de localidad dice que cuando se usa una p%gina, es probable que en un futuro cercano, se aga referencia a p%ginas adyacentes, por lo tanto, cuando se produce un fallo de p%gina, el gestor de memoria, tambi'n trae las p%ginas adyacentes, a fin de reducir nuevos fallos. 1i no ay marcos de p%gina disponibles en la lista de marcos libres, D# usa una pol"tica de reemplazo 7G por proceso para e!propiar p%ginas. D# asigna por defecto 23 p%ginas a cada proceso. Peri$dicamente va robando una p%gina v%lida a cada proceso, y si el proceso se sigue ejecutando sin producir fallos por falta de p%gina, se reduce el conjunto de trabajo del proceso, y se a5ade la p%gina a la lista de p%ginas libres. 20.3.3.4 Gestor de procesos

Presta servicios para crear, eliminar y usar ilos y procesos. Do tiene conocimiento de las relaciones padre6ijo ni de jerarqu"as de procesos. 20.3.3.5 Recurso de llamadas a procedimientos locales

-l /P+ (local procedure call) sirve para transferir solicitudes y resultados entre procesos clientes y servidores dentro de una sola m%quina. -n particular se usa para solicitar servicios de los diversos subsistemas de D#. -s un mecanismo de transferencia de mensajes. -l proceso servidor publica un objeto !uerto de conexi*n que es visible globalmente. +uando un cliente desea servicios de un subsistema, abre un andle (mango) al objeto puerto de cone!i$n de ese subsistema, y le env"a una solicitud de cone!i$n. -l servidor crea un canal, y le devuelve un andle al cliente. -l canal consiste en un par de puertos de comunicaci$n privados, uno para los mensajes del cliente al servidor, y otro para los del servidor al cliente. ay tres t'cnicas de transferencia de mensajes para el canal /P+8 =ensaes !e.ueMos: Para mensajes de asta F> bytes. 1e usa la cola de mensajes del puerto como almacenamiento intermedio, y los mensajes se copian de un proceso al otro. =ensaes medianos: 1e crea un objeto secci*n de memoria com!artida para el canal, y los mensajes del puerto, contienen un puntero, e informaci$n de tama5o referidos a ese objeto secci$n, evitando la necesidad de copiar mensajes grandes. =ensaes %'C5 o %'C rá!ida: -s utilizado por las porciones de e!ibici$n grafica del subsistema Lin2. +uando un cliente pide /P+ r%pida, el servidor prepara tres objetos8 Un ilo servidor, dedicado a atender solicitudes, un objeto secci$n de >4EB y un objeto !ar de sucesos, que es un objeto de sincronizaci$n para Lin2, que notifica cuando el ilo cliente copio un mensaje en el servidor o viceversa. o entaas: -l objeto secci$n elimina el copiado de mensajes, ya que  representa memoria compartida. -l objeto par de sucesos elimina el gasto e!tra de utilizar el  objeto para transferir punteros y longitudes. -l ilo servidor elimina el gasto e!tra de determinar que ilo  cliente est% llamando al servidor ya que ay un ilo servidor por cada cliente. o 7esventaas: •

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1e utilizan m%s recursos que con los otros m'todos, por lo tanto solo se usa para el gestor de ventanas e interfaces con dispositivos de gr%ficos.

20.3.3.6 Gestor de E/S:

unciones8 1e mantiene al tanto de cuales sistemas de arcivos instalables est%n cargados. Kestiona buffers para solicitudes de -01 #rabaja con el gestor de caches de D# que maneja los caches de todo el sistema de -01. #rabaja con el gestor de
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-n mucos sistemas operativos, el sistema de arcivos se encarga de manejar los cache, en cambio D# cuenta con un manejo de caches centralizado. -l gestor de cache presta servicios, controlado por el gestor de -01, e "ntimamente vinculado con el gestor de J<. /os KB superiores del espacio de direcciones de un proceso, son del sistema, y el gestor de J< asigna la mitad del espacio disponible al cache del sistema. +uando el gestor de -01 recibe una solicitud de lectura, env"a un 7;P al gestor de caches (a menos que se solicite lectura sin uso de cache). -l gestor de cache calcula la direcci$n de la solicitud, y pueden suceder dos cosas con el contenido de la direcci$n8 &s nula: asigna un bloque al cache e intenta copiar los datos invocados. 1e puede realizar el Proceso copiado8 /a operaci$n finaliza. E/S Do se puede realizar el gestor de E/S copiado8 1e produjo un E/S por cach sistema de archivos gestor de cach s fallo de p%gina, lo que ace que el gestor de J< E/S sin cach copiado de datos env"e una solicitud de fallo de p gina controlador de disco gestor de VM lectura sin uso del cache. -l driver apropiado, lee los datos, y los devuelve al gestor de J<, que carga los datos en el cache, y los devuelve al invocador, quedando satisfeca la solicitud. #o es nula: 1e leen los datos y la operaci$n finaliza. •

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é

é

é

á

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Para mejorar el desempe5o, el gestor mantiene un istorial de solicitudes de lectura, e intenta predecir solicitudes futuras. 1i detecta un patr$n en las tres solicitudes anteriores, como acceso secuencial acia delante o atr%s, obtiene datos y los coloca en el cache, antes de que la aplicaci$n aga la siguiente solicitud, evitando la espera de leer a disco. -l gestor tambi'n se encarga de indicar al gestor de J< que escriba de vuelta en disco el contenido del cache. -fect*a escritura retardada, ya que acumula escrituras


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durante 4 o F segundos, y luego despierta el ilo escritor. 1i sucede que un proceso escribe r%pidamente llenando las p%ginas libres del cache, el gestor est% controlando, y cuando se llena gran parte de las p%ginas, bloquea los procesos que escriben datos, y despierta el ilo escritor. -n el caso de redes, para que no queden procesos bloqueados en la red (causando retransmisi$n por e!ceso de tiempo), se puede ordenar al gestor de cache que no deje que se acumulen mucas escrituras en el cache. ay una interfaz &
/a naturaleza orientada a objetos de D# permite la validaci$n de accesos durante la ejecuci$n y verificaciones de auditoria para cada entidad del sistema. 20.4 Subsistemas de entorno 1on procesos en modo usuario, apilados sobre los servicios nativos del ejecutivo de D#, que permiten ejecutar programas escritos para otros sistemas operativos, incluidos Lindo?s de @> bits, <16&G1, PG17O y aplicaciones basadas en caracteres para el G10 de @> bits. +ada subsistema de entorno, proporciona una AP7. D# usa el subsistema Lin2 como entorno operativo principal. 1i el ejecutable no es Lin2 nativo, se verifica si ya se est% ejecutando el subsistema de entorno apropiado, y si no se est% ejecutando, se pone en marca como proceso en modo usuario y Lin2 le transfiere el control a dico subsistema. -l subsistema de entorno no accede directamente al n*cleo, contribuyendo a la robustez de D#, ya que se permite controlar la correctitud de los par%metros antes de invocar la rutina del n*cleo. D# pro"be a las aplicaciones, mezclar rutinas de AP7 de diferentes entornos. /a ca"da de un subsistema, no afecta a los dem%s, salvo el caso de Lin2 que es el gestor de todos los dem%s. Lin2 clasifica las aplicaciones como gr%ficas o de caracteres (se supone que las salidas se dirigen a una pantalla A1+77 de =3!4). +uando es de caracteres, transforma la salida, en una representaci$n gr%fica dentro de una ventana (+aso de la ventanita de <16&G1, en el escritorio de Lindo?s). Al ser una emulaci$n, se puede transferir te!to de pantalla entre ventanas, a trav's del portapapeles. 20.4.1 Entorno MS-DOS

<16&G1 no tiene la complejidad de los otros subsistemas de entorno D#. Una aplicaci$n Lin2 llamada má.uina dos virtual B7=; se encarga de proporcionar el entorno. /a J&< tiene una unidad de eecuci*n de instrucciones para ejecutar o emular instrucciones 7ntel 4=>, tambi'n el ;G< B7G1 de <16&G1 y los servicios de interrupci$n de software int @, as" como drivers de dispositivos virtuales para pantalla, teclado y puertos de comunicaci$n. -st% basada en el c$digo fuente de <16&G1 F.3 y proporciona a la aplicaci$n al menos >3 EB de memoria. -l sell es una ventana muy similar a un entorno <16 &G1. 1i D# se ejecuta en un procesador O=>, las aplicaciones gr%ficas de <16&G1 se ejecutan en modo de pantalla completa, y las de caracteres en cualquiera de las dos opciones (completa o ventana). 1i la arquitectura de procesador es otra, todas las


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aplicaciones se ejecutan en ventanas. -n general, las aplicaciones <16&G1 que acceden directamente a hardware , no funcionan bajo D#. ay aplicaciones para <16&G1 que acaparan la +PU (ya que no era multitareas) como espera activa o pausas. -l despacador de D# detecta los retardos, y los frena (aciendo que la aplicaci$n no funcione correctamente). 20.4.2 Entorno Windows de 16 bits

+orre por cuenta de un J&< que incorpora software adicional llamado windows on windows que cuenta con las rutinas del n*cleo de Lindo?s 2.@, y las rutinas adaptadoras (stubs) para las funciones del gestor de ventanas. /as rutinas adaptadoras, invocan las subrutinas apropiadas de Lin2. /as aplicaciones que dependen de la estructura interna del gestor de ventanas de @> bits no funcionan, porque Lindo?s on Lindo?s no implementa realmente la AP7 de @> bits. Lindo?s on Lindo?s puede ejecutarse en forma multitareas con otros procesos en D#, pero solo una aplicaci$n Lin@> puede ejecutarse a la vez. #odas las aplicaciones son de un solo ilo, y residen en el mismo espacio de direcciones, con la misma cola de entrada. 20.4.3 Entorno Win32

-jecuta aplicaciones Lin2 y gestiona toda la -01 de teclado, rat$n y pantalla. -s robusto, y a diferencia de Lin@>, cada proceso Lin2 tiene su propia cola de entrada. -l n*cleo D# ofrece operaci$n multitareas e!propiativa, que permite al usuario terminar aplicaciones que an fallado o no se necesitan. Lin2 valida todos los objetos antes de usarlos, evitando ca"das, el gestor de objeto, evita que se eliminen objetos que todav"a se est%n usando, e impide su uso, una vez eliminados. 20.4.4 Subsistema POSIX

-st% dise5ado para ejecutar aplicaciones PG17O, basadas en el modelo UD7O. -l est%ndar no especifica impresi$n, pero se pueden usar impresoras a trav's del mecanismo de redirecci$n de D#. /as aplicaciones PG17O tienen acceso a cualquier sistema de arcivos D#, pero ace respetar los permisos tipo UD7O en los %rboles de directorio. Do apoya varios recursos de Lin2 como trabajo en redes, gr%ficos, etc. 20.4.5 Subsistema OS/2

D# proporciona recursos limitados en el subsistema de entorno G10, aunque en sus el prop$sito general ab"a sido proporcionar un entorno G10 robusto. /as aplicaciones basadas en caracteres solo pueden ejecutarse bajo D# en computadores 7ntel !=>. /as de modo real, se pueden ejecutar en todas las plataformas, usando el entorno <16&G1. 20.4.6 Subsistemas de ingreso y seguridad

Antes de que un usuario pueda acceder a objetos D#, el subsistema de ingreso debe validarlo (login). Para ello el usuario debe tener una cuenta, y proporcionar la contrase5a. +ada vez que el usuario intenta acceder a un objeto, el subsistema cequea que se tengan los permisos correspondientes.


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20.5 Sistema de archivos /os sistemas <16&G1 utilizaban el sistema de arcivos A#, de @> bits, que tiene mucas deficiencias, como fragmentaci$n interna, una limitaci$n de tama5o de  KB, y falta de protecci$n de arcivos. A#2 resolvi$ los problemas de tama5o y fragmentaci$n, pero su desempe5o y funciones son deficientes en comparaci$n con D#1. D#1 se dise5$ teniendo en mente mucas funciones, incluidas recuperaci$n de datos, seguridad, tolerancia de fallos, arcivos y sistemas de arcivos grandes, nombres UD7+G&- y compresi$n de arcivos. Por compatibilidad tambi'n reconoce los sistemas A#. 20.5.1 Organizaci ó n interna

/a entidad fundamental de D#1 es el volumen. -l administrador de disco de D# crea los vol*menes que se basan en particiones de disco l$gicas. Un volumen puede ocupar una porci$n de disco, un disco entero o varios discos. Do maneja sectores de disco individuales sino que usa c8mulos (n*mero de sectores de disco que es potencia de ) como unidad de asignaci$n. -l tama5o del c*mulo se configura cuando se formatea el sistema de arcivos D#1. • • • •

#ama5os por omisi$n8 #ama5o de sector en el caso de vol*menes de asta F@
-ste tama5o es muco menor al del c*mulo de A#, ayudando a reducir la fragmentaci$n interna. -j8 -n un disco de @.> KB con @>333 arcivos, se podr"an perder 433 primeras entradas de la <#, que se utiliza en la recuperaci$n si la <# se da5a. Gtros arcivos8 •

Arc*i%o de bit3cora: ;egistra actualizaciones de los datos del sistema de

arcivos.


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Arc*i%o de %olumen: +ontiene el nombre del volumen, la versi$n de D#1

que dio formato, y un bit que indica si es posible que el volumen se aya corrompido, y se necesite verificar su consistencia. +abla de deinici-n de atributos: 7ndica los atributos del volumen y qu' operaciones se pueden efectuar con cada uno de ellos. Directorio ra/!: -s el directorio del nivel m%s alto en la jerarqu"a del sistema de arcivos. Arc*i%o de mapa de its: 7ndica qu' c*mulos del volumen est%n asignados, y cuales est%n libres. Arc*i%o de arran5ue: +ontiene el c$digo de inicio de D#, y debe estar en una direcci$n espec"fica para que el autoarranque de la ;G< lo localice f%cilmente. #ambi'n contiene la direcci$n de la <#. Arc*i%o de c;mulos deectuosos: 1igue la pista a las %reas defectuosas del volumen, y se usa para recuperaci$n de errores.

20.5.2 Recuperaci ón

-n D#1, todas las actualizaciones de estructura de datos, se efect*an en transacciones/ Antes de alterar la estructura, se escribe un registro de bit%cora con informaci$n para desacerla y reacerla, y luego de modificarla con '!ito, se escribe un registro de confirmaci$n en la bit%cora. &espu's de una ca"da el sistema puede restaurar las estructuras, procesando la bit%cora, reaciendo las operaciones de las transacciones confirmadas, y desaciendo la de las que no lograron confirmarse antes de la ca"da. Peri$dicamente (cada cinco segundos apro!imadamente), se escribe en la bit%cora un cecNpoint, indicando al sistema que no necesita registros de bit%cora anteriores a 'l, desecando los registros, para que la bit%cora no crezca indefinidamente. /a primera vez que se accede a D#1 luego de una ca"da, se realiza autom%ticamente la recuperaci$n del sistema de arcivos. -sto no garantiza la correctitud de los arcivos de usuario, solo asegura las estructuras de datos del sistema de arcivos. 1i el espacio de la bit%cora se reduce demasiado, D#1 suspende todas las -01 nuevas, para poder confirmar las que se est%n aciendo, poner un cecNpoint en la bit%cora, y borrar todos los datos ya confirmados. 20.5.3

Seguridad

/a seguridad se deriva del modelo de objetos, ya que cada uno tiene almacenado un descriptor de seguridad. 20.5.4

Gestió n de vol úm enes y tolerancia de fallos

t&isN es el controlador de disco tolerante a fallos. Gfrece mecanismos para combinar m*ltiples unidades de disco en un solo volumen l$gico. ay varias formas de acerlo.


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FING - UDELAR

disco 1 (2.5 Gb)

disco 2 (2.5 Gb) disco C: (FAT) 2 GB

unidad lógica D: (NTFS) 3 GB LCN 128000-783361

LCN 0-128000

1e pueden concatenar discos l$gicamente para formar un volumen l$gico grande. -n D# es llamado conunto de vol8menes y puede consistir de asta 2 unidades f"sicas. D#1 usa el mismo mecanismo /+D que para un solo disco f"sico, y t&isN se encarga de acer la correspondencia. Gtra forma de combinar m*ltiples particiones f"sicas es intercalar sus bloques bajo disco 1 (2 Gb)

disco 2 (2 Gb)

LCN 0-15

LCN 16-31

LCN 31-47

LCN 48-63

LCN 64-79

LCN 80-95

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unidad lógica C: 4 GB

un r'gimen de turno circular, para formar un conunto de franas . t&isN usa >4Eb como tama5o de franja. /os primeros >4Eb de volumen l$gico se almacenan en la primer partici$n f"sica, los segundos en la segunda y as" asta que cada partici$n f"sica tiene >4Eb de la l$gica. -sto permite mejorar el anco de banda de -01 ya que las unidades pueden transferir datos en paralelo. disco 1 (2 Gb)

disco 2 (2 Gb)

disco 3 (2 Gb)

paridad 0-15

LCN 0-15

LCN 16-31

LCN 32-47

paridad 16-31

LCN 48-63

LCN 64-79

LCN 80-95

paridad 32-47

paridad 48-63

LCN 96-111

LCN 112-127

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unidad lógica C: 4 GB

1e pueden dividir tambi'n en franas de !aridad . 1i ay = discos, entonces por cada siete franjas de datos en siete discos diferentes ay una franja de paridad en el octavo que contiene el or e7clusi%o de las siete franjas, por lo tanto, si una se destruye, se puede reconstruir. &e todas formas, cada actualizaci$n de una franja de datos, obliga a recalcular la franja de paridad, as" siete escrituras concurrentes, requieren calcular siete franjas de paridad, por lo tanto, se deben encontrar en discos diferentes, para no sobrecargar un mismo disco con el c%lculo de todas las paridades. /as paridades se asignan entre los discos por turno circular. Un esquema m%s robusto, es el es!eo de discos. Un ue$o de es!eos comprende dos particiones del mismo tama5o, en dos discos, con su contenido de datos id'ntico. +uando se requiere escritura, t&isN escribe en los dos discos, y si ay fallo, se tiene una copia almacenada a salvo. /os dos discos, deben estar conectados a dos


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FING - UDELAR

controladores de disco diferentes, por si el fallo es en el controlador. -sta organizaci$n se denomina ue$o du!lex . Para superar la situaci$n en que sectores del disco se arruinan, t&isN usa una t'cnica de hardware llamada ahorro de sectores , y D#1, una de software llamada retransformaci*n de c8mulos/ +uando se da formato al disco, se crea correspondencia entre n*meros de bloque l$gicos y sectores libres de defectos del disco, dejando algunos sectores sin correspondencia como reserva. 1i un sector falla, t&isN ordena a la unidad de disco que lo sustituya por una unidad de reserva. /a retransformaci$n de c*mulos se aplica por D#1, que reemplaza un bloque defectuoso por uno no asignado, modificando los punteros pertinentes en la <#, adem%s tiene en cuenta que ese bloque no vuelva a ser asignado. 1i un bloque se arruina, se pierden datos, que en casos se pueden calcular si se tiene un disco espejo, o calculando la paridad por or e!clusivo, y los datos reconstruidos se colocan en un nuevo espacio, que se obtuvo por aorro de sectores o retransformaci$n de c*mulos. 20.5.5

Compresi ó n

D#1 puede aplicar compresi$n a arcivos. &ivide sus datos en unidades de com!resi*n , que son bloques de @> c*mulos contiguos. +ada vez que se escribe en una unidad de compresi$n, se aplica un algoritmo de compresi$n de datos. Para mejorar la lectura, D#1 las preobtiene y descomprime adelant%ndose a las solicitudes de las aplicaciones. -n caso de arcivos !oco !oblados (contiene gran cantidad de ceros), la t'cnica es no almacenar en disco los c*mulos que contienen *nicamente ceros. 1e dejan uecos en la secuencia de n*meros almacenados en la tabla <# para ese arcivo, y al leerlos, si D#1 encuentra un ueco en los n*meros, llena con ceros esa porci$n del buffer del invocador. UD7O emplea la misma t'cnica. 20.6 Trabajo con redes D# cuenta con recursos de gesti$n de redes, y apoya el trabajo de cliente6servidor. Adem%s tambi'n tiene componentes de trabajo con redes como8 #ransporte de datos +omunicaci$n entre procesos +ompartimiento de arcivos a trav's de una red +apacidad para enviar trabajos de impresi$n a impresoras remotas. • • • •

20.6.1 Protocolos

7mplementa los protocolos de transporte como controladores, los cuales puede cargar y descargar din%micamente, aunque en la pr%ctica, casi siempre debe reiniciarse el sistema despu's de un cambio. 20.6.2 Mecanismos de procesamiento distribuido

D# no es distribuido, pero s" apoya aplicaciones distribuidas.

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$onductos con nombre: 1on mecanismos de env"o de mensajes, orientados

a cone!iones. Un proceso tambi'n puede usarlos para conectarse con otro proceso en la misma m%quina. Puesto que el acceso a estos conductos es a trav's de la interfaz con el sistema de arcivos, se aplican los mecanismos de seguridad sobre ellos. anuras de correo: 1on un mecanismo de env"o de mensajes sin cone!iones. Do son confiables, porque el mensaje podr"a perderse antes de llegar al destinatario. Sockets: Winsoc# es la AP7 de soc#ets para ventanas. -s una interfaz de capa de sesi$n, compatible (en buena parte) con socNets de UD7O. lamada a procedimiento remoto (P$ ;: -s un mecanismo cliente6 servidor que permite a una aplicaci$n de una m%quina, emitir una llamada a un procedimiento cuyo c$digo est% en otra m%quina. -l cliente invoca, un stub empaca sus argumentos en un mensaje y lo env"a por la red a un proceso servidor espec"fico. -l servidor desempaca el mensaje, invoca el procedimiento, empaca los resultados en otro mensaje, y lo env"a de vuelva al cliente, que espera el mensaje bloqueado. -l cliente se desbloquea, lo recibe, y desempaca los resultados. engua4e de deinici-n de interaces de Microsot: 1e utiliza para describir los nombres de procedimientos remotos, argumentos y resultados, para facilitar las llamadas a procedimientos remotos. -l compilador para este lenguaje genera arcivos de cabecera que declaran rutinas adaptadoras para los procedimientos remotos, asi como un desempacador y un despacador. Intercambio din3mico de datos (DD&):
20.6.3 Redirectores y servidores

-n D#, una aplicaci$n puede usar la AP7 de -01 para acceder a arcivos remotos. Un redirector es un objeto del lado del cliente que reenv"a solicitudes de -01 a arcivos remotos, donde un servidor las atiende. Por razones de desempe5o y seguridad, los redirectores y servidores se ejecutan en modo de n*cleo. Por razones de transportabilidad, redirectores y servidores utilizan la AP7 #&7 para el transporte por redes. 20.6.4

Dominios

Para gestionar derecos de acceso globales (ej8 todos los usuarios de un grupo de estudiantes), D# utiliza el concepto de dominio. Un dominio D#, es un grupo de estaciones de trabajo y servidores D# que comparten una pol"tica de seguridad y una base de datos de usuarios comunes. Un servidor de dominio controla y mantiene las bases de datos de seguridad. Gtros servidores pueden actuar como controladores de respaldo, y validaci$n de solicitudes de inicio. A menudo es necesario manejar m*ltiples dominios dentro de una sola organizaci$n. D# ofrece cuatro modelos de dominios para acerlo. Modelo de dominio ;nico: +ada dominio queda aislado de los dem%s. Modelo de dominio maestro: #odos los dominios conf"an en un dominio maestro designado, que mantiene las bases de datos de cuentas de usuario, y proporciona servicios de validaci$n. Puede apoyar asta 43333 usuarios. Modelo de m;ltiples dominios maestros: &ise5ado para organizaciones grandes, con m%s de un dominio maestro, y todos los dominios conf"an unos • •

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20.6.5

en otros. -l usuario con cuenta en un dominio, puede acceder a recursos de otro dominio, si ese dominio certifica los permisos del usuario. Modelo de m;ltiple conian!a: Do e!iste un dominio maestro, todos los dominios conf"an unos en otros. Resoluci ón de nombres en redes TCP/IP

-s el proceso de convertir un nombre de computador en una direcci$n de 7P. Por ejemplo, transformar ???.bell6labs.com en @2F.@34.@.@4. D# cuenta con varios m'todos, incluidos el 1ervicio de Dombres de 7nternet de Lindo?s (L7D1), resoluci$n de nombres difundida, sistema de nombres de dominio (&D1). 3INS' &os o m%s servidores L7D1, mantienen una base de datos din%mica de vinculaciones Dombre6direcci$n de 7P, y software cliente para consultarlos. 1e usan dos servidores para que el servicio funcione, aunque falle uno, y adem%s para distribuir la carga.

20.7 Interfaz con el programador /a AP7 Lin2 es la interfaz fundamental con las capacidades de D#. 20.7.1 Acceso a objetos del n úc leo

1e acceden para obtener los servicios del n*cleo. +uando un proceso quiere acceder a un objeto O del n*cleo, debe acer createO y abre un andle a ese objeto. Para cerrar el andle ace closeEandle y el sistema elimina el objeto si nadie tiene andles con 'l. 20.7.1.1 Compartimiento de objetos

ay tres formas8 Un proceso ijo ereda un andle del padre. -l padre y el ijo podr%n comunicarse a trav's del objeto. Un proceso crea un objeto con nombre, y el segundo proceso lo abre con ese nombre. &esventajas8 D# no ofrece un mecanismo para verificar si e!iste un objeto con nombre escogido. -l espacio de nombres es global. Por ejemplo, dos aplicaciones podr"an crear un objeto llamado pepe, cuando se desean dos objetos individuales (y diferentes). Jentajas8 Procesos no relacionados entre si, pueden compartir objetos f%cilmente. +ompartir objetos por medio de la funci$n DuplicateEandle. Pero requiere de un m'todo de comunicaci$n entre procesos para pasar el mango duplicado. •

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20.7.2

Gestió n de procesos

Un proceso es un ejemplar de una aplicaci$n que se est% ejecutando y un ilo es luna unidad de c$digo que el sistema operativo puede planificar. Un proceso tiene uno o m%s ilos.


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Una aplicaci$n multiilada necesita protegerse contra acceso no sincronizado, y la funci$n envolvente begint*reade7 (iniciar ejecuci$n de ilo) proporciona la sincronizaci$n apropiada. /as prioridades en el entorno Lin2 se basan en el modelo de planificaci$n D#, pero no pueden escogerse todos los valores de prioridad. 1e usan cuatro clases8 ID&NPII+N$ASS: Divel de prioridad 4 (ocioso). #MANPII+N$ASS: Divel de prioridad = (normal). EI9ENPII+N$ASS: Divel de prioridad @2 (alta). &A+IM&NPII+N$ASS: Divel de prioridad 4 (tiempo real). • • • •

1olo los usuarios con !rivile$io de incremento de !rioridad pueden pasar un proceso a la prioridad de tiempo real. Por defecto los administradores o usuarios avanzados tienen ese privilegio. +uando un usuario est% ejecutando un programa interactivo, el sistema debe darle mayor prioridad, para ello tiene una regla de planificaci$n que distingue entre el !roceso de !rimer !lano que es el seleccionado actualmente en la pantalla y los !rocesos de se$undo !lano que no est%n seleccionados. +uando un proceso pasa a primer plano, el sistema incrementa su cuanto de planificaci$n al triple, por lo que el proceso se ejecuta por un tiempo tres veces mayor, antes de ser desalojado. Para sincronizar el acceso concurrente de ilos a objetos compartidos, el n*cleo proporciona objetos de sincronizaci$n como sem%foros y mute!es. Gtro m'todo es la secci*n cr?tica, que es una regi$n de c$digo sincronizada que solo un ilo puede ejecutar a la vez. Una fibra es c$digo en modo usuario, planificado seg*n un algoritmo definido por el usuario. 1e utiliza de la misma forma que los ilos, pero a diferencia de ellos, no se pueden ejecutar dos fibras concurrentemente, a*n en un hardware multiprocesador. 20.7.3 Comunicaci ón entre procesos

Una forma es compartiendo objetos del n*cleo, y otra es transfiriendo mensajes. /os mensajes se pueden publicar o enviar. /as rutinas de publicaci$n son asincr$nicas, por lo tanto env"an el mensaje y regresan de inmediato. -l ilo que envi$ el mensaje no sabe si lleg$. /as rutinas de env"o son sincr$nicas, y bloquean al invocador asta que se a entregado y procesado el mensaje. +ada ilo Lin2 tiene su propia cola de entrada, y esta estructura es m%s confiable que la cola de entradas compartida de las ventanas de @> bits, porque una aplicaci$n bloqueada no bloquea a las dem%s. 1i un proceso que envi$ un mensaje, no recibe respuesta en cinco segundos, el sistema marca la aplicaci$n como Do responde. 20.7.4

Gestió n de memoria

ay varios mecanismos de uso de memoria como8 •

Memoria irtual: Para pedir y liberar memoria virtual se usa irtualAlloc y irtual?ree. /a funci$n irtual0ock asegura p%ginas en memoria f"sica,

pudiendo asegurar 23 como m%!imas. •

Arc*i%os con correspondencia en memoria: -s c$modo para que dos

procesos compartan memoria.


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Teorico Con Preguntas de Examen

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