Unidad 2: Administración de Procesos y del Procesador

Tema 2.1.- Concepto de Proceso
Un proceso es un programa en ejecución. Los procesos son gestionados por el sistema operativo y están formados por:

• Las instrucciones de un programa destinadas a ser ejecutadas por el microprocesador.
• Su estado de ejecución en un momento dado, esto es, los valores de los registros de la unidad central de procesamiento para dicho programa.
• Su memoria de trabajo, es decir, la memoria que ha reservado y sus contenidos.
• Otra información que permite al sistema operativo su planificación.

Esta definición varía ligeramente en el caso de sistemas operativos multihilo, donde un proceso consta de uno o más hilos, la memoria de trabajo (compartida por todos los hilos) y la información de planificación. Cada hilo consta de instrucciones y estado de ejecución.

Los procesos son creados y destruidos por el sistema operativo, así como también este se debe hacer cargo de la comunicación entre procesos, pero lo hace a petición de otros procesos. El mecanismo por el cual un proceso crea otro proceso se denomina bifurcación (fork). Los nuevos procesos pueden ser independientes y no compartir el espacio de memoria con el proceso que los ha creado o ser creados en el mismo espacio de memoria.

En los sistemas operativos multihilo es posible crear tanto hilos como procesos. La diferencia estriba en que un proceso solamente puede crear hilos para sí mismo y en que dichos hilos comparten toda la memoria reservada para el proceso.

2.2.- Estados y Transiciones de los Procesos

El principal trabajo del procesador es ejecutar las instrucciones de máquina que se encuentran en memoria principal. Estas instrucciones se encuentran en forma de programas. Para que un programa pueda ser ejecutado, el sistema operativo crea un nuevo proceso, y el procesador ejecuta una tras otra las instrucciones del mismo. En un entorno de multiprogramación, el procesador intercalará la ejecución de instrucciones de varios programas que se encuentran en memoria. El sistema operativo es el responsable de determinar las pautas de intercalado y asignación de recursos a cada proceso.

Aunque cada proceso se una entidad independiente, con su propio contador de programa y estado interno, los procesos a menudo necesitan interactuar con otros procesos. Un proceso podría generar ciertas salidas que otro proceso utilizan como entradas, en el comando de Shell.
Cuando un proceso se bloquea, lo que hace porque le es imposible continuar lógicamente, casi siempre porque esta separando entradas que todavía no están disponibles, también puede ser que un programa que conceptualmente esta listo y en condiciones de ejecutarse sea detenido porque el sistema operativo ha decidido asignar la CPU a otro proceso durante un tiempo. Estas dos condiciones son totalmente distintas, en el primer caso, la suspensión es inherente al problema (no es posible procesar la línea de comandos del usuarios antes de que este la teclee). En el segundo caso, se trata de un tecnicismo del sistema (no hay suficiente: CPU para darle a cada proceso su propio procesador privado).

1.- Ejecutándose (usando realmente la CPU en este instante).

2.- Listo (se puede ejecutar, pero se suspendió temporalmente para dejar que otro proceso se ejecute).

3.- Bloqueo (no puede ejecutarse en tanto no ocurra algún evento externo).

Puede haber cuanto transiciones entre estos tres estados, como se muestra:

La transacción 1 ocurre cuando un proceso descubre que no puede continuar. En algunos sistemas el proceso debe ejecutar una llamada al sistema, block, para pasar al estado bloqueado. En otros sistemas, incluido MINIX, cuando un proceso lee de un conducto o de un archivo especial, (p.ej., una terminal) y no hay entradas disponibles, se bloquea automáticamente.
Las transiciones 2 y 3 son causadas por el planificador de procesos, un parte del sistema operativo , sin que el proceso se entere siquiera de ellas.

La transición 2 ocurre cuando el planificador decide que el proceso en ejecución ya se ejecuto durante suficiente tiempo y es ahora de dejar que otros procesos tengan algo de tiempo de CPU.

La transacción 3 ocurre cuando todos los demás procesos han disfrutado de una porción justa y es hora de que el primer proceso reciba otra vez la CPU para ejecutarse.

La transacción 4 ocurre cuando acontece el suceso externo que un proceso estaba esperando (como la llegada de entrada). Sin ningún otro proceso se esta ejecutando en ese instante, se dispara de inmediato la transacción 3 y el proceso comienza a ejecutarse.

En caso contrario, el proceso tal vez tenga que esperar en el estado listo durante cierto tiempo hasta que la CPU este disponible. Usando el modelo de procesos, es mucho mas fácil visualizar lo que esta sucediendo dentro del sistema. 


2.3.- Procesos ligeros: Hilos y hebras
El concepto de proceso engloba dos conceptos separados y potencialmente independientes: uno relativo a la propiedad de recursos y otro que hace referencia a la ejecución.

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

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

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

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

• Un estado de ejecución (en ejecución, listo, bloqueado)
• Un contexto de procesador, que se salva cuando no esté ejecutándose.
• Una pila de ejecución.
• Algún almacenamiento estático para variables locales.
• Acceso a la memoria y a los recursos de ese trabajo que comparte con los otros hilos.

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

Un ejemplo de aplicación que podría hacer uso de los hilos es un servidor de ficheros de una red de área local. Cada vez que llega una solicitud de una operación sobre un fichero, se puede generar un nuevo hilo para su gestión. El servidor gestiona multitud de solicitudes, por tanto, se pueden crear y destruir muchos hilos en poco tiempo para dar servicio a estas peticiones. Si el servidor es un multiprocesador, se pueden ejecutar varios hilos de un mismo proceso simultáneamente y en diferentes procesadores.[2]

Un proceso ligero (thread o hebra) es un programa en ejecución que comparte la imagen de la memoria y otras informaciones con otros procesos ligeros.

Es una unidad básica de utilización de la CPU consistente en un juego de registros y un espacio de pila. Comparte el código, los datos y los recursos con sus hebras pares

• Una tarea (o proceso pesado) está formada ahora por una o más hebras
• Una hebra sólo puede pertenecer a una tarea

CARACTERISTICAS

• Se comparten recursos. La compartición de la memoria permite a las hebras pares comunicarse sin usar ningún mecanismo de comunicación inter-proceso del SO.
  

• La conmutación de contexto es más rápida gracias al extenso compartir de recursos
• No hay protección entre las hebras. Una hebra puede escribir en la pila de otra hebra del mismo proceso.

ESTADOS DE LOS PROCESOS LIGEROS
Un proceso ligero puede estar ejecutando, listo o bloqueado.

PARALELISMO

Los procesos ligeros permiten paralelizar una aplicación.

2.4.- Concurrencia y Secuenciabilidad
La concurrencia comprende un gran número de cuestiones de diseño, incluyendo la comunicación entre procesos, comparición y competencia por los recursos, sincronización de la ejecución de varios procesos y asignación del tiempo de procesador a los procesos y es fundamental para que existan diseños como Multiprogramación, Multiproceso y Proceso distribuido

Los procesos son concurrentes si existen simultáneamente. Cuando dos o más procesos llegan al mismo tiempo a ejecutarse, se dice que se ha presentado una concurrencia de procesos. Es importante mencionar que para que dos o más procesos sean concurrentes, es necesario que tengan alguna relación entre ellos.

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La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes:

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• Varias aplicaciones: La multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varios trabajos o aplicaciones activas.

• Aplicaciones estructuradas: Como ampliación de los principios del diseño modular y la programación estructurada, algunas aplicaciones pueden implementarse eficazmente como un conjunto de procesos concurrentes.

• Estructura del sistema operativo: Las mismas ventajas de estructuración son aplicables a los programadores de sistemas y se ha comprobado que algunos sistemas operativos están implementados como un conjunto de procesos.

Existen tres modelos de computadora en los que se pueden ejecutar procesos concurrentes:

• Multiprogramación con un único procesador. El sistema operativo se encarga de ir repartiendo el tiempo del procesador entre los distintos procesos, intercalando la ejecución de los mismos para dar así una apariencia de ejecución simultánea.

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• Multiprocesador. Es una maquina formada por un conjunto de procesadores que comparten memoria principal. En este tipo de arquitecturas, los procesos concurrentes no sólo pueden intercalar su ejecución sino también superponerla.• Multicomputadora. Es una maquina de memoria distribuida, que está formada por una serie de computadoras. En este tipo de arquitecturas también es posible la ejecución simultánea de los procesos sobre los diferentes procesadores.

En general, la concurrencia será aparente siempre que el número de procesos sea mayor que el de procesadores disponibles, es decir, cuando haya más de un proceso por procesador. La concurrencia será real cuando haya un proceso por procesador. Aunque puede parecer que la intercalación y la superposición de la ejecución de procesos presentan formas de ejecución distintas, se verá que ambas pueden contemplase como ejemplos de procesos concurrentes.

Existen diversas razones que motivan la ejecución de procesos concurrentes en un sistema:

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• Acelera los cálculos. Si se quiere que una tarea se ejecute con mayor rapidez, lo que se puede hacer es dividirla en procesos, cada uno de los cuales se ejecuta en paralelo con los demás.

• Posibilita el uso interactivo a múltiples usuarios que trabajan de forma simultánea.

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• Permite un mejor aprovechamiento de los recursos, en especial de la CPU, ya que pueden aprovechar las fases de entrada-salida de unos procesos para realizar las fases de procesamiento de otros.

Así como existen las razones que motivan la ejecución de procesos concurrentes, también existen sus contras:

• Inanición e interrupción de procesos
• Ocurrencia de bloqueos
• Que dos o más procesos requieran el mismo recurso (No apropiativo).

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TIPOS DE PROCESOS CONCURRENTES.

Los procesos que ejecutan de forma concurrente en un sistema se pueden clasificar como:

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Proceso independiente: Es aquel que ejecuta sin requerir la ayuda o cooperación de otros procesos. Un claro ejemplo de procesos independientes son los diferentes shells que se ejecutan de forma simultánea en un sistema.

Procesos cooperantes: Son aquellos que están diseñados para trabajar conjuntamente en alguna actividad, para lo que deben ser capaces de comunicarse e interactuar entre ellos.

En ambos tipos de procesos (independientes y cooperantes), puede producirse una serie de interacciones entre ellos y pueden ser de dos tipos:

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• Interacciones motivadas porque los procesos comparten o compiten por el acceso a recursos físicos o lógicos. Por ejemplo, dos procesos independientes compiten por el acceso a disco o para modificar una base de datos.

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• Interacción motivada porque los procesos se comunican y sincronizan entre sí para alcanzar un objetivo común, Por ejemplo, un compilador que tiene varios procesos que trabajan conjuntamente para obtener un solo archivo de salida.

ELEMENTOS A GESTIONAR Y DISEÑAR A CAUSA DE LA CONCURRENCIA

Se pueden enumerar los siguientes:

1. El sistema operativo debe ser capaz de seguir la pista de los distintos procesos activos. Esto lo hace por medio de PBC’s (Bloque de Control de Procesos)

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2. El sistema operativo debe asignar y quitar los distintos recursos a cada proceso activo. Entre estos recursos se incluyen:

• Tiempo de procesador: Es función de la planificación.
• Memoria.
• Archivos.
• Dispositivos de E/S:

3. El sistema operativo debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias no intencionadas de otros procesos. 4. Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad relativa a la que se realiza la ejecución con respecto a otros procesos concurrentes

2.5.- Niveles, objetivos y criterios de planificación

.La planificación es el proceso por el cual el sistema operativo selecciona que proceso ejecutar. La selección del proceso se basa en alguno de los algoritmos de planificación.

La planificación de la CPU, en el sentido de conmutarla entre los distintos procesos, es una de las funciones del sistema operativo. Este despacho es llevado a cabo por un pequeño programa llamado planificador a corto plazo o dispatcher (despachador). La misión del dispatcher consiste en asignar la CPU a uno de los procesos ejecutables del sistema, para ello sigue un determinado algoritmo.

Los acontecimientos que pueden provocar la llamada al dispatcher dependen del sistema (son un subconjunto de las interrupciones), pero son alguno de estos:

• El proceso en ejecución acaba su ejecución o no puede seguir ejecutándose (por una E/S, operación WAIT, etc).
• Un elemento del sistema operativo ordena el bloqueo del proceso en ejecución
  El proceso en ejecución agota su cuantum o cuanto de estancia en la CPU.
• Un proceso pasa a estado listo.

Hay que destacar el hecho de que cuanto menos se llame al dispatcher menos tiempo ocupa la CPU un programa del sistema operativo, y, por tanto, se dedica más tiempo a los procesos del usuario (un cambio de proceso lleva bastante tiempo).

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Así, si sólo se activa el dispatcher como consecuencia de los 2 primeros acontecimientos se estará haciendo un buen uso del procesador. Este criterio es acertado en sistemas por lotes en los que los programas no son interactivos. Sin embargo, en un sistema de tiempo compartido no es adecuado, pues un proceso que se dedicara a realizar cálculos, y no realizara E/S, monopolizaría el uso de la CPU. En estos sistemas hay que tener en cuenta el conjunto de todos los procesos, activándose el dispatcher con la circunstancia tercera y, posiblemente, la cuarta. Los sistema operativos en que las dos siguientes circunstancias no provocan la activación del dispatcher muestran preferencia por el proceso en ejecución, si no ocurre esto se tiene más en cuenta el conjunto de todos los procesos.

Se puede definir el scheduling -algunas veces traducido como -planificación- como el conjunto de políticas y mecanismos construidos dentro del sistema operativo que gobiernan la forma de conseguir que los procesos a ejecutar lleguen a ejecutarse.

El scheduling está asociado a las cuestiones de:

• Cuándo introducir un nuevo proceso en el Sistema.
• Determinar el orden de ejecución de los procesos del sistema.

El scheduling está muy relacionado con la gestión de los recursos. Existen tres niveles de scheduling, estos niveles son:

• Planificador de la CPU o a corto plazo.
• Planificador a medio plazo.
• Planificador a largo plazo.

En la planificación de procesos se suelen incluir varios niveles, en función del periodo temporal que cubren:

- PLANIFICACIÓN A LARGO PLAZO

Este planificador está presente en algunos sistemas que admiten además de procesos interactivos trabajos por lotes. Usualmente, se les asigna una prioridad baja a los trabajos por lotes, utilizándose estos para mantener ocupados a los recursos del sistema durante períodos de baja actividad de los procesos interactivos. Normalmente, los trabajos por lotes realizan tareas rutinarias como el cálculo de nóminas; en este tipo de tareas el programador puede estimar su gasto en recursos, indicándoselo al sistema. Esto facilita el funcionamiento del planificador a largo plazo.

El objetivo primordial del planificador a largo plazo es el de dar al planificador de la CPU una mezcla equilibrada de trabajos, tales como los limitados por la CPU (utilizan mucho la CPU) o la E/S. Así, por ejemplo, cuando la utilización de la CPU es baja, el planificador puede admitir más trabajos para aumentar el número de procesos listos y, con ello, la probabilidad de tener algún trabajo útil en espera de que se le asigne la CPU. A la inversa, cuando la utilización de la CPU llega a ser alta, y el tiempo de respuesta comienza a reflejarlo, el planificador a largo plazo puede optar por reducir la frecuencia de admisión de trabajos.

Normalmente, se invoca al planificador a largo plazo siempre que un proceso termina. La frecuencia de invocación depende, pues, de la carga del sistema, pero generalmente es mucho menor que la de los otros dos planificadores. Esta baja frecuencia de uso hace que este planificador pueda permitirse utilizar algoritmos complejos, basados en las estimaciones de los nuevos trabajos.

- PLANIFICACIÓN A MEDIANO PLAZO

En los sistemas de multiprogramación y tiempo compartido varios procesos residen en la memoria principal. El tamaño limitado de ésta hace que el número de procesos que residen en ella sea finito. Puede ocurrir que todos los procesos en memoria estén bloqueados, desperdiciándose así la CPU. En algunos sistemas se intercambian procesos enteros (swap) entre memoria principal y memoria secundaria (normalmente discos), con esto se aumenta el número de procesos, y, por tanto, la probabilidad de una mayor utilización de la CPU.

El planificador a medio plazo es el encargado de regir las transiciones de procesos entre memoria principal y secundaria, actúa intentando maximizar la utilización de los recursos. Por ejemplo, transfiriendo siempre a memoria secundaria procesos bloqueados, o transfiriendo a memoria principal procesos bloqueados únicamente por no tener memoria.

- PLANIFICACIÓN A CORTO PLAZO

Qué proceso será el que se ejecutará en el procesador en el instante siguiente.

Expulsión denota si un proceso acapara el procesador cuando está ejecutándose. Existen sistemas con y sin expulsión:

a) Sin expulsión: un proceso conserva el uso del procesador mientras lo desee; es decir, mientras no solicite del SO un servicio que lo bloquee. Ventajas: minimiza tiempo de planificación. Inconvenientes: un proceso podría monopolizar el uso del procesador.

b) Con expulsión: el SO puede desalojar a un proceso del uso del procesador (sin que el proceso lo haya solicitado). Ventaja: control sobre el tiempo de ejecución de cada proceso. Inconveniente: gasto de tiempo.

OBJETIVOS Y CRITERIOS DE PLANIFICACIÓN

Los objetivos del planificador se resumen en:

a) Reparto equitativo del tiempo de procesador
b) Eficiencia en el uso del procesador
c) Menor tiempo de respuesta en uso interactivo
d) Cumplir plazos de ejecución de los sistemas de tiempo real

El principal objetivo de la planificación a corto plazo es repartir el tiempo del procesador de forma que se optimicen algunos puntos del comportamiento del sistema. Generalmente se fija un conjunto de criterios con los que evaluar las diversas estrategias de planificación. El criterio más empleado establece dos clasificaciones. En primer lugar, se puede hacer una distinción entre los criterios orientados a los usuarios y los orientados al sistema. Los criterios orientados al usuario se refieren al comportamiento del sistema tal y como lo perciben los usuarios o los procesos.

Uno de los parámetros es el tiempo de respuesta. El tiempo de respuesta es el periodo de tiempo transcurrido desde que se emite una solicitud hasta que la respuesta aparece en la salida. Sería conveniente disponer de una política de planificación que ofrezca un buen servicio a diversos usuarios.

Otros criterios están orientados al sistema, esto es, se centran en el uso efectivo y eficiente del procesador. Un ejemplo puede ser la productividad, es decir, el ritmo con el que los procesos terminan. La productividad es una medida muy válida del rendimiento de un sistema y que sería deseable maximizar.

Otra forma de clasificación es considerar los criterios relativos al rendimiento del sistema y los que no lo son. Los criterios relativos al rendimiento son cuantitativos y, en general, pueden evaluarse o ser analizados fácilmente. Algunos ejemplos son el tiempo de respuesta y la productividad.

Los criterios no relativos al rendimiento son, en cambio cualitativos y no pueden ser evaluados fácilmente. Un ejemplo de estos criterios es la previsibilidad. Sería conveniente que el servicio ofrecido a los usuarios tenga las mismas características en todo momento, independientemente de la existencia de otros trabajos ejecutados por el sistema.

En particular, una disciplina de planificación debe:

Ser equitativa: debe intentar hacer una planificación justa, esto es, se debe tratar a todos los procesos de la misma forma y no aplazar indefinidamente ningún proceso. La mejor forma de evitarlo es emplear alguna técnica de envejecimiento; es decir, mientras un proceso espera un recurso, su prioridad debe crecer.

Ser eficiente: debe maximizar el uso de los recursos tales como intentar que la ocupación de la CPU sea máxima. Al mismo tiempo se debe intentar reducir el gasto extra por considerar que es trabajo no productivo. Normalmente el idear algoritmos eficientes supone invertir recursos en gestión del propio sistema.

Lograr un tiempo bueno de respuesta, es decir, que los usuarios interactivos reciban respuesta en tiempos aceptables.

Lograr un tiempo de proceso global predecible. Esto quiere decir que un proceso debe ejecutarse aproximadamente en el mismo tiempo y casi al mismo costo con independencia de la carga del sistema.

Elevar al máximo la productividad o el rendimiento, esto es, maximizar el número de trabajos procesados por unidad de tiempo. Eso supone, por un lado, dar preferencia a los procesos que ocupan recursos decisivos y, por otro, favorecer a los procesos que muestran un comportamiento deseable. En el primer caso conseguimos liberar el recurso cuanto antes para que esté disponible para un proceso de mayor prioridad. Con el segundo criterio escogemos a los procesos que no consumen muchos recursos dejándole al sistema mayor capacidad de actuación.

Estos criterios son dependientes entre sí y es imposible optimizar todos de forma simultánea. Por ejemplo, obtener un buen tiempo de respuesta puede exigir un algoritmo de planificación que alterne entre los procesos con frecuencia, lo que incrementa la sobrecarga del sistema y reduce la productividad. Por tanto, en el diseño de una política de planificación entran en juego compromisos entre requisitos opuestos; el peso relativo que reciben los distintos requisitos dependerá de la naturaleza y empleo del sistema.

2.6.- Técnicas de administración del planificador
Las disciplinas de planificación pueden ser:

• Expropiativas
• No expropiativas

Se denomina planificador al software del sistema operativo encargado de asignar los recursos de un sistema entre los procesos que los solicitan. Siempre que haya tomar una decisión, el planificador debe decidir cuál de los procesos que compiten por la posesión de un determinado recursos lo recibirá.

Los algoritmos (técnicas) tienen distintas propiedades según los criterios en los que se basen para su construcción, lo cual se refleja en qué tipo de procesos se puede ver favorecido frente a otro en la disputa del procesador. Antes de realizar la elección de un algoritmo se debe considerar las propiedades de estos frente al criterio de diseño elegido. Algunos de estos son:

a) Eficacia: Se expresa como un porcentaje del tiempo medio de utilización. Aunque puede parecer lógico intentar mantener este parámetro próximo al 100%, con un valor tan elevado otros aspectos importante de medida del comportamiento del sistema pueden verse deteriorados, como por ejemplo el tiempo medio de espera.

b) Rendimiento: Es una medida del numero de procesos completados por unidad de tiempo. Por ejemplo 10 procesos por segundo.

c) Tiempo de retorno o regreso: Es el intervalo de tiempo que transcurre desde que un proceso se crea o presenta hasta que completa por el sistema.

d) Tiempo de espera: Es el tiempo que el proceso espera hasta que se le concede el procesador. Puede resultar una medida mas adecuada de la eficiencia del sistema, ya que se elimina de la media el tiempo que tarda en ejecutarse el mismo.

e) Tiempo de respuesta a un evento: Se denomina así el intervalo de tiempo que transcurre desde que se señala un evento hasta que se ejecuta la primera instrucción de la rutina de servicio de dicho evento. El criterio de selección de un algoritmo se suele basar en la maximización o minimización de una función de los parámetros anteriores.