3- Administración de Entrada y Salida

La parte del sistema operativo que administra la memoria se llama administrador de la memoria. Para ello existen diferentes esquemas de administración de memoria desde los más simples hasta los más elaborados.

3.1 Política y Filosofía

FIFO: Los procesos se despachan de acuerdo a su tiempo de llega a la cola de procesos listos, si un proceso llega al procesador sale hasta que termine. La política FIFO actualmente no se usa como el esquema principal de un sistema, pero si por ejemplo cuando se usa una política de prioridades y hay procesos con la misma prioridad, a estos se les podría aplicar FIFO.

Round Robin: Los procesos se despachan en la forma que lo hace el FIFO, pero se les asigna una cantidad limitada de tiempo (CUANTUM) en el procesador, si no termina en ese lapso se manda al final de la lista de procesos listos.

SJF (Shortest job first - Prioridad del trabajo mas corto): Se ejecuta primero el proceso en espera que tiene el menor tiempo estimado. SJF favorece a los procesos cortos, ya que los largos podrían llegar a rezagarse mucho tiempo e incluso nunca ejecutarse.

SRT (Sortest remaining time scheduling – Tiempo restante más corto): En SJF una vez que un proceso comienza su ejecución continua hasta terminar. En SRT, un proceso en ejecución puede ser desposeído por uno nuevo de menor tiempo de ejecución.

HRN: (highest response ratio next – Prioridad de la tasa de respuesta más alta): Política no apropiativa que corrige el retraso excesivo de procesos grandes que produce el SJF, para así no caer en un favoritismo excesivo por los procesos cortos, lo logra usando una formula basada en el tiempo de espera y el tiempo de servicio, con lo cual la prioridad de cada trabajo no solo esta en función del tiempo de servicio sino también del tiempo que ha esperado para ser atendido.

3.2 Memoria Real

La memoria real o principal es en donde son ejecutados los programas y procesos de una computadora y es el espacio real que existe en memoria para que se ejecuten los procesos. Por lo general esta memoria es de mayor costo que la memoria secundaria, pero el acceso a la información contenida en ella es de más rápido acceso. Solo la memoria cache es más rápida que la principal, pero su costo es a su vez mayor.

—     3.2.1 Administración de Almacenamiento

Si hay una cosa que toma la mayor parte del día de un administrador de sistemas, esto es la administración del almacenamiento. Pareciera que los discos nunca tienen espacio suficiente, que se sobrecargan con actividad de E/S o que fallan repentinamente. Por eso es vital tener un conocimiento práctico sólido del almacenamiento en disco para poder ser un administrador de sistemas exitoso. Una vista general del hardware de almacenamiento. Antes de administrar el almacenamiento, primero es necesario entender el hardware en el que están almacenados los datos. A menos que posea un algún conocimiento sobre la operación de los dispositivos de almacenamiento masivo, quizás se encuentre en una situación donde tenga un problema relacionado al almacenamiento pero le falte el conocimiento de fondo para si quiera entender lo que ve. Al tener un entendimiento sobre la forma en que opera el hardware subyacente, podrá más fácilmente determinar si el subsistema de almacenamiento de su computador está funcionando correctamente.

La gran mayoría de los dispositivos de almacenamiento masivo utilizan alguna forma de media de rotación y soportan el acceso aleatorio de los datos en esa media. Esto significa que los componentes siguientes están presentes en alguna forma dentro de casi todos los dispositivos de almacenamiento masivo:

—

—

Plato del disco

Dispositivo de lectura/escritura de datos

Brazos de acceso

                         

3.2.2 Jerarquía

Se conoce como jerarquía de memoria a la organización piramidal de la memoria en niveles, que tienen los ordenadores. Su objetivo es conseguir el rendimiento de una memoria de gran velocidad al coste de una memoria de baja velocidad, basándose en el principio de cercanía de referencias.  Los puntos básicos relacionados con la memoria pueden resumirse en:

—      Cantidad

—      Velocidad

—      Coste

La cuestión de la cantidad es simple, cuanto más memoria haya disponible, más podrá utilizarse. La velocidad óptima para la memoria es la velocidad a la que el procesador puede trabajar, de modo que no haya tiempos de espera entre cálculo y cálculo, utilizados para traer operandos o guardar resultados. En suma, el costo de la memoria no debe ser excesivo, para que sea factible construir un equipo accesible. Como puede esperarse los tres factores compiten entre sí, por lo que hay que encontrar un equilibrio. Las siguientes afirmaciones son válidas:

—      A menor tiempo de acceso mayor coste

—      A mayor capacidad mayor coste

—      A mayor capacidad menor velocidad.

Se busca entonces contar con capacidad suficiente de memoria, con una velocidad que sirva para satisfacer la demanda de rendimiento y con un coste que no sea excesivo. Gracias a un principio llamado cercanía de referencias, es factible utilizar una mezcla de los distintos tipos y lograr un rendimiento cercano al de la memoria más rápida.

Jerarquía de Memoria

3.2.3 Estrategia de Administración de Memoria

Estrategias de Administración del Almacenamiento Están dirigidas a la obtención del mejor uso posible del recurso del almacenamiento principal [7, Deitel]. Se dividen en las siguientes categorías:

Estrategias de búsqueda o Estrategias de búsqueda por demanda. o Estrategias de búsqueda anticipada.

Estrategias de colocación.

Estrategias de reposición.

Las “estrategias de búsqueda” están relacionadas con el hecho de cuándo obtener el siguiente fragmento de programa o de datos para su inserción en la memoria principal.

En la “búsqueda por demanda” el siguiente fragmento de programa o de datos se carga al almacenamiento principal cuando algún programa en ejecución lo referencia. Se considera que la “búsqueda anticipada” puede producir un mejor rendimiento del sistema.

Las “estrategias de colocación” están relacionadas con la determinación del lugar de la memoria donde se colocará (cargará) un programa nuevo.

Las “estrategias de reposición” están relacionadas con la determinación de qué fragmento de programa o de datos desplazar para dar lugar a los programas nuevos.

Asignación Contigua de Almacenamiento Versus No Contigua

En la “asignación contigua” cada programa ocupa un bloque contiguo y sencillo de localizaciones de almacenamiento.

En la “asignación no contigua” un programa se divide en varios bloques o “segmentos” que pueden almacenarse en direcciones que no tienen que ser necesariamente adyacentes, por lo que es más compleja pero más eficiente que la asignación continua.

Asignación Contigua de Almacenamiento de Un Solo Usuario. Se consideran S. O. que ya poseen desarrollado el “sistema de control de entrada / salida”: IOCS: input / output control system

      Administración de Memoria

3.2.4 Asignación Contigua vs No Contigua

En la “asignación contigua” cada programa ocupa un bloque contiguo y sencillo de localizaciones de almacenamiento. 

En la “asignación no contigua” un programa se divide en varios bloques o “segmentos” que pueden almacenarse en direcciones que no tienen que ser necesariamente adyacentes, por lo que es más compleja pero más eficiente que la asignación continua.

3.2.5 Multiprogramación de Participación fija y variable, con intercambio de Almacenamiento

Se denomina multiprogramación a la técnica que permite que dos o más procesos ocupen la misma unidad de memoria principal y que sean ejecutados al “mismo tiempo” (seudo-paralelismo, en una única CPU sólo puede haber un proceso a la vez) en la unidad central de proceso o CPU. Aporta las siguientes ventajas:

La ya mencionada, varios procesos en ejecución. Permite el servicio interactivo simultáneo a varios usuarios de manera eficiente.

Aprovecha los tiempos que los procesos pasan esperando a que se completen sus operaciones de E/S

Aumenta el uso de la CPU.

Las direcciones de los procesos son relativas, el programador no se preocupa por saber en dónde estará el proceso dado que el sistema operativo es el que se encarga de convertir la dirección lógica en física.

Un proceso entra a ejecutarse y llega al momento en que tiene que hacer espera por un dispositivo de entrada y/o salida por ejemplo, el CPU estará ocioso mientras espera que el proceso pueda usar el dispositivo para así finalmente ejecutarse. Los sistemas de multiprogramación evitan eso ya que durante ese tiempo de esperar pasan a ejecutar otro proceso teniendo así al computador ocupado.

3.3 Organización de Memoria Virtual

Memoria Virtual

La memoria virtual es una técnica para proporcionar la simulación de un espacio de memoria mucho mayor que la memoria física de una maquina. Esta ilusión permite que los programas se hagan sin tener en cuenta el tamaño exacto de la memoria física.

La memoria virtual ha llegado a ser un componente esencial de la mayoría de los S.O actuales. Y como en un instante dado, en la memoria solo se tienen unos pocos fragmentos de un proceso dado, se pueden mantener mas procesos en la memoria.

La memoria virtual también simplifica la carga del programa para su ejecución llamado reubicación, este procedimiento permite que el mismo programa se ejecute en cualquier posición de la memoria física

3.3.1 Evaluación de las Organizaciones de Almacenamiento

Almacenamiento virtual "significa la capacidad de direccional un espacio de almacenamiento mucho mayor que el disponible en el almacenamiento primario de determinado sistema de computación”. Esta tecnología apareció en 1960 en la Universidad de Manchester (Inglaterra), en el sistema “Atlas”.
Los métodos más comunes de implementación son mediante:

—      Técnicas de “paginación”.

—      Técnicas de “segmentación”.

Una combinación de ambas técnicas.

Las direcciones generadas por los programas en su ejecución no son, necesariamente, aquellas contenidas en el almacenamiento primario (memoria real), ya que las direcciones virtuales suelen seleccionarse dentro de un número mucho mayor de direcciones que las disponibles dentro del almacenamiento primario.

3.3.2 Paginación

—    En sistemas operativos de computadoras, los sistemas de paginación de memoria dividen los programas en pequeñas partes o páginas. Del mismo modo, la memoria es dividida en trozos del mismo tamaño que las páginas llamados marcos de página. De esta forma, la cantidad de memoria desperdiciada por un proceso es el final de su última página, lo que minimiza la fragmentación interna y evita la externa.

3.3.3 Segmentación

En un esquema de segmentación un espacio de direcciones lógicas es un conjunto de segmentos. Cada segmento tendrá un nombre y un largo. Las direcciones van a hacer referencia tanto al nombre como al desplazamiento dentro del segmento.

<nro. Segmento, desplazamiento>

Mecanismo de traducción de direcciones.-

Se lleva una tabla de segmento por cada proceso, cada entrada a la tabla de segmento lleva la siguiente información: segment base (dirección base del segmento) Segment limit (largo del segmento)

Protección.- 

La protección se asegura verificando cada acceso a la memoria con la tabla de segmentos para asegurar que se está direccionando dentro del espacio de direcciones lógicas del proceso. Además el mecanismo de traducción de direcciones asegura que no se direccione fuera de un segmento en particular. Existen también bits de protección para cada entrada de la tabla de segmentos que indicaran si el segmento es read only o read-write.

Segmentos Compartidos.- 

Similar a lo visto para paginación. Se comparte la totalidad de un segmento

Fragmentación.-

El sistema operativo deberá asignar memoria utilizando algunos algoritmos ya vistos (first fit, worst fit, best fit) Cuando el sistema operativo intenta cargar un segmento y no hay ningún segmento disponible de tamaño suficiente para almacenarlo se procederá a compactar la memoria.

3.3.4 Sistemas de paginación Segmentación

Sistemas de Paginación / Segmentación

Ofrecen las ventajas de las dos técnicas de organización del almacenamiento virtual [7, Deitel]. El tamaño de los segmentos es múltiplo del de las páginas.

No es necesario que todas las páginas de un segmento se encuentren al mismo tiempo en el almacenamiento primario.

Las páginas de almacenamiento virtual, que son contiguas en este almacenamiento, no necesitan ser contiguas en el almacenamiento real.

—    El direccionamiento es tridimensional con una dirección de almacenamiento virtual “v = (s,p,d)”:

—      “s” es el número del segmento.

—      “p” es el número de página. 

—      “d” es el desplazamiento en la página donde se encuentra asignado el elemento deseado.

SEGMENTACION/PAGINACION

Tanto la Segmentación como la paginación ofrecen significativas ventajas, algunos sistemas (Multics y la Serie 370 de IBM) combinan ambas técnicas en donde los segmentos tienen un tamaño multiplo de página.

Este método utiliza Segmentación y Paginación tal y como su nombre lo indica, el proceso es el siguiente: - Se hace la solicitud de acceso por medio de una dirección “V” la cual contiene los campos Segmento, Página y Desplazamiento. Con el campo Segmento, lo que se trata es de accesar a una Tabla de segmentos, cada campo de dicha tabla apunta directamente a la tabla de páginas asignada para ese segmento conteniendo una dirección que será sumada a una dirección en la Tabla Asociativa para por fin formar una dirección real con el desplazamiento de “V”.

En un sistema con un número muy grande de procesos, segmentos o páginas, ésta estructura puede consumir una parte muy importante de la memoria real. La cuestión es que la traducción de direcciones puede realizarse con rapidez pero si se tienen demasiadas tablas, el sistema puede soportar menos procesos y bajar su rendimiento.

Sistema de paginación

Los sistemas de paginación son los utilizados para dividir los programas en páginas y así poder utilizar programas de mayor tamaño que la memoria principal, ya que las paginas no son cargadas todas a la vez en la memoria principal. l traspaso de datos entre los distintos niveles de almacenamiento se realiza eventualmente en páginas de longitud fija, tal y como ocurre en la actualidad en los sistemas de memoria virtual. El tamaño de la página es un parámetro del sistema y no está determinado por las longitudes de registro elegidas por los programadores. Al usarse la paginación, los datos serán lógicamente independientes del tamaño de página, pero tendrán que ser físicamente “empaquetados” para que encajen en las páginas.

En los casos en que se usa hardware de almacenamiento a niveles múltiples, el traspaso se hace por bloques, semejantes a las páginas. Esta técnica se conoce con el nombre de promoción o staging.

Segmentación

El objetivo de la segmentación al igual que el de la paginación es el de dar la facilidad de realizar programas que sean más grandes que la memoria principal, pero la segmentación, a diferencia de la paginación, puede dividir los programas en segmentos que no necesariamente sean del mismo tamaño, pero para poder cargar un segmento en memoria al igual que para cargar una página debe de existir el suficiente espacio contiguo de memoria principal para cargarlo.

—    La segmentación en ocasiones puede ser usada al mismo tiempo que la paginación.

3.4 Administración de Memoria Virtual

Las diferentes organizaciones de almacenamiento virtual generalmente implementadas son [7, Deitel]:

Paginación.

Segmentación.

Segmentación y paginación.

Las estrategias para la administración de sistemas de almacenamiento virtual condicionan la conducta de los sistemas de almacenamiento virtual que operan según esas estrategias. Se consideran las siguientes estrategias:

“Estrategias de búsqueda”:

Tratan de los casos en que una página o segmento deben ser traídos del almacenamiento secundario al primario. Las estrategias de “búsqueda por demanda” esperan a que se haga referencia a una página o segmento por un proceso antes de traerlos al almacenamiento primario. Los esquemas de “búsqueda anticipada” intentan determinar por adelantado a qué páginas o segmentos hará referencia un proceso para traerlos al almacenamiento primario antes de ser explícitamente referenciados.

“Estrategias de colocación”:

Tratan del lugar del almacenamiento primario donde se colocará una nueva página o segmento. Los sistemas toman las decisiones de colocación de una forma trivial ya que una nueva página puede ser colocada dentro de cualquier marco de página disponible.

“Estrategias de reposición”:

o Tratan de la decisión de cuál página o segmento desplazar para hacer sitio a una nueva página o segmento cuando el almacenamiento primario está completamente comprometido.

3.4.1 Estrategia de Administración

Es un método mediante el cual, un sistema operativo simula tener más memoria principal que la que existe físicamente. Para implementar la memoria virtual se utiliza un medio de almacenamiento secundario de alta velocidad de acceso, generalmente en disco duro de la máquina. Un sistema de memoria virtual se implementa utilizando paginación como método de administración de memoria básica y algún mecanismo de intercambio (para descargar páginas de la memoria principal hacia el disco duro y para cargar esas páginas de nuevo a la memoria).

— 

3.4.2 Técnicas de Reemplazo de Paginas

Estrategias de Reemplazo de página:

Principio de Optimalizad: Para obtener un rendimiento óptimo, la página que se debe reemplazar es aquella que tardará más tiempo en ser utilizada. Esta estrategia óptima de reemplazo se denomina OPT o MIN.

Reemplazo de Páginas aleatorio: Es una técnica sencilla. Todas las páginas que se encuentran en el almacenamiento principal tienen la misma probabilidad de ser elegidas para el reemplazo. Esta estrategia podría seleccionar cualquier página para ser reemplazada, incluyendo la siguiente página la que se hará referencia. Las decisiones de reemplazo aleatorio se de páginas se pueden tomar rápidamente y con un número significativo de marcos de página. Es un esquema que casi no se utiliza por su enfoque aleatorio de acertar o errar.

3.4.3 Paginación por Demanda

Un sistema de paginación por demanda es similar a un sistema de paginación con intercambios. Los procesos residen en memoria secundaria (en el disco). Cuando queremos ejecutar un proceso, lo metemos en memoria. Sin embargo, en vez de intercambiar todo el proceso hacia la memoria, utilizamos un intercambiador perezoso. Un intercambiador perezoso nunca reincorpora una página a memoria a menos que se necesite. Como ahora consideramos un proceso como una secuencia de páginas, en vez de un gran espacio contiguo de direcciones, el término intercambio es técnicamente incorrecto. Un intercambiador manipula procesos enteros, mientras que un paginador trata con las páginas individualmente de un proceso.

—

3.4.4 Paginación Anticipada

¿Qué es la paginación anticipada?

En la paginación anticipada, el sistema operativo intenta predecir las páginas que necesitara un proceso y entonces carga dichas cuando hay espacio disponible.

Mientras el proceso se ejecuta con sus páginas actuales, el sistema carga las demás páginas que estarán disponibles cuando las requiera el proceso.

El S. O. intenta predecir las páginas que un proceso va a necesitar y a continuación precarga estas páginas cuando hay espacio disponible Mientras el proceso ejecuta sus páginas actuales, el sistema carga paginas nuevas que estarán disponibles cuando el proceso las pida, debido a ello, el tiempo de ejecución de un proceso se puede reducir.

—

—

3.4.5 Liberación de Página

Un proceso usuario puede emitir una “liberación voluntaria de página” para liberar el marco de página cuando ya no necesitara esa página. Se puede eliminar el “desperdicio” y acelerar la ejecución. El inconveniente es que la incorporación de mandatos de liberación de páginas dentro de los programas de usuarios puede ser peligroso y retrasar el desarrollo de aplicaciones. “Los compiladores y S. O. deberían detectar automáticamente situaciones de liberación de página mucho antes de lo que es posible con estrategias de conjuntos de trabajo”. Estrategias de reemplazo de páginas

Menos frecuentemente utilizada (LFU)

—    Se reemplaza la página a la que se ha hecho referencia con menos frecuencia.

—    No utilizada recientemente (NUR)

—    Las páginas no utilizadas recientemente, es poco probable que sean referenciadas en un futuro cercano. Por ello se las elige para el reemplazo.

3.4.6 Tamaño de Página

Al diseñar una máquina hay que tomar una decisión sobre el mejor tamaño de página. Como podrá suponer, no hay un tamaño único que sea el mejor, pero existen varios factores que apoyan tamaños distintos. Los tamaños son invariablemente potencias de dos, que suelen ir de 512 (2⁹) a 16384 (2¹⁴) bytes.

¿Cómo seleccionamos el tamaño de página? Un factor es el tamaño de la tabla de páginas. Para un espacio de memoria virtual establecido, al reducir el tamaño aumenta el número de páginas y, por tanto, el tamaño de la tabla de páginas. Para una memoria virtual de 4 MB habría 4096 páginas de 1K bytes, pero sólo 512 páginas de 8192 bytes. Como cada proceso activo debe tener su propia tabla de páginas, sería deseable un tamaño de página grande.

Por otra parte, la memoria se utiliza mejor con páginas pequeñas. Una parte de la última página estará asignada pero no totalmente ocupada (fragmentación interna). Suponiendo que los tamaños de los procesos y de la página son independientes, podemos esperar que, en promedio, se desperdiciara la mitad de la última página de cada proceso. Esta pérdida representaría sólo 256 bytes en una página de 512 bytes, pero serían 4096 bytes en una página de 8192. Para minimizar la fragmentación interna necesitamos un tamaño de página pequeño. Otro problema es el tiempo necesario para leer o escribir una página. El tiempo de E/S está compuesto por tiempo de búsqueda, latencia y transferencia.

2. Administración de procesos y del procesador

2.1.- CONCEPTO DE PROCESO.

Un proceso no es mas que un programa en ejecución, e incluye los valores actuales del contador de programa, los registros y las variables. Conceptualmente cada unos de estos procesos tiene su propia CPU virtual. Desde luego, en la realidad la verdadera CPU conmuta de un proceso a otro.

Un proceso es un concepto manejado por el sistema operativo que consiste en el conjunto formado 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 CPU 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.
En este modelo: todo software ejecutable de la computadora, lo que a menudo incluye al sistema operativo, esta organizado en una serie del proceso secuenciales, o simplemente procesos.
la idea clava aquí es que un proceso es una actividad de algún tipo: tiene programa, entrada, salida y un estado. Se puede compartir un procesador entre varios procesos, usando algún algoritmo de planificación para determinar cuando debe de trabajar en un proceso para atender a uno distinto.
Jerarquías de procesos

Los sistemas operativos que manejan el concepto de proceso deben contar con algún mecanismo para crear todos los procesos necesarios. en los sistemas muy sencillos, o en los diseñados para ejecutar solo una aplicación.
En otros sistemas operativos existen llamadas al sistema para crear un proceso, cargar su memoria y ponerlo en ejecutar. Sea cual sea la naturaleza exacta de la llamada al sistema. Los procesos necesitan poder crear otros procesos.
En MINIX, los procesos se crean con la llamada al sistema FORK (bifurcar), que crea una copia idéntica del proceso invocador. El proceso hijo también puede ejecutar FORK, así que es posible tener un árbol de 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. [1]



Andrew s. tanenbaum & Alvert s. woodhull (1998). Sistemas operativos Diseño e implementación. (2da. Ed)

2.3 PROCESOS LIGEROS (HILOS O 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.[1]

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.




Figura 1 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


Figura 2 Tareas con una y varias hebras

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

Estado de los procesos ligeros





Un proceso ligero puede estar ejecutando, listo o bloqueado.





Figura 3 Estados de los Procesos ligeros


Paralelismo
Los procesos ligeros permiten paralelizar una aplicación.[2]





Figura 4 Paralelismo
Milenkovic M. (1994). Sistemas Operativos. Conceptos y Diseño, 2ª Edición, McGraw-Hill.
Stallings, W. (1993).Computer Organization and Architecture, 3ª Edición. New York: Macmillan.HILOS (THREAD) (n.d.). Extraído el 24 de octubre de 2008 desde http://xue.unalmed.edu.co/~gsanchez/downloads/hilos.pdf

publicado por rickytamayo en 21:03 no hay comentarios:

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
La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes:
• 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.
• 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:
• Facilita la programación de aplicaciones al permitir que éstas se estructuren como un conjunto de procesos que cooperan entre sí para alcanzar un objetivo común.
• 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.• 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)
Tipos de procesos concurrentes.
Los procesos que ejecutan de forma concurrente en un sistema se pueden clasificar como:
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 son 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:
• 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. • 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)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: La mayoría de los sistemas operativos emplean esquemas de memoria virtual.
• 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.[1]
[1] Instituto tecnológico de Celaya, Sistemas operativos unidad III, (n.d.). Extraído el 24 de octubre de 2008 desde http://sisinfo.itc.mx/ITC-APIRGG/Materias/Mat1/SistOp-I_Unid3.php#

2.4.1 EXCLUSIÓN MUTUA DE SECCIONES CRÍTICAS.

El método más sencillo de comunicación entre los procesos de un programa concurrente es el uso común de unas variables de datos. El problema de este sistema es que la acción de un proceso interfiere en las acciones de otro de una forma no adecuada. Para evitar este tipo de errores se pueden identificar aquellas regiones de los procesos que acceden a variables compartidas y dotarlas de la posibilidad de ejecución como si fueran una única instrucción. Se denomina sección crítica a aquellas partes de los procesos concurrentes que no pueden ejecutarse de forma concurrente o, que desde otro proceso se ven como si fueran una única instrucción. Esto quiere decir que si un proceso entra a ejecutar una sección crítica en la que accede a unas variables compartidas, entonces otro proceso no puede entrar a ejecutar una región crítica en la que se modifique las variables compartidas con el anterior. Las secciones críticas se pueden agrupar en clases, siendo mutuamente exclusivas las secciones críticas de cada una. Para conseguir dicha exclusión se deben implementar protocolos software que impidan o bloqueen el acceso a una sección crítica mientras está siendo utilizada por un proceso.[1]
Los algoritmos de exclusión mutua (comúnmente abreviada como mutex por mutual exclusion) se usan en programación concurrente para evitar que fragmentos de código conocidos como secciones críticas accedan al mismo tiempo a recursos que no deben ser compartidos.
La mayor parte de estos recursos son las señales, contadores, colas y otros datos que se emplean en la comunicación entre el código que se ejecuta cuando se da servicio a una interrupción y el código que se ejecuta el resto del tiempo. Se trata de un problema de vital importancia porque, si no se toman las precauciones debidas, una interrupción puede ocurrir entre dos instrucciones cualesquiera del código normal y esto puede provocar graves fallos.
La técnica que se emplea por lo común para conseguir la exclusión mutua es inhabilitar las interrupciones durante el conjunto de instrucciones más pequeño que impedirá la corrupción de la estructura compartida (la sección crítica). Esto impide que el código de la interrupción se ejecute en mitad de la sección crítica.
En un sistema multiprocesador de memoria compartida, se usa la operación indivisible test-and-set sobre una bandera, para esperar hasta que el otro procesador la despeje. La operación test-and-set realiza ambas operaciones sin liberar el bus de memoria a otro procesador. Así, cuando el código deja la sección crítica, se despeja la bandera. Esto se conoce como espera activa.
Algunos sistemas tienen instrucciones multioperación indivisibles similares a las anteriormente descritas para manipular las listas enlazadas que se utilizan para las colas de eventos y otras estructuras de datos que los sistemas operativos usan comúnmente.
La mayoría de los métodos de exclusión mutua clásicos intentan reducir la latencia y espera activa mediante las colas y cambios de contexto. Algunos investigadores afirman que las pruebas indican que estos algoritmos especiales pierden más tiempo del que ahorran.
A pesar de todo lo dicho, muchas técnicas de exclusión mutua tienen efectos colaterales. Por ejemplo, los semáforos permiten interbloqueos (deadlocks) en los que un proceso obtiene un semáforo, otro proceso obtiene el semáforo y ambos se quedan a la espera de que el otro proceso libere el semáforo. Otros efectos comunes incluyen la inanición, en el cual un proceso esencial no se ejecuta durante el tiempo deseado, y la inversión de prioridades, en el que una tarea de prioridad elevada espera por otra tarea de menor prioridad, así como la latencia alta en la que la respuesta a las interrupciones no es inmediata.
La mayor parte de la investigación actual en este campo, pretende eliminar los efectos anteriormente descritos. Si bien no hay un esquema perfecto conocido, hay un interesante esquema no clásico de envío de mensajes entre fragmentos de código que, aunque permite inversiones de prioridad y produce una mayor latencia, impide los interbloqueos.
Algunos ejemplos de algoritmos clásicos de exclusión mutua son:
El algoritmo de Dekker.
El algoritmo de Peterson.


Región Crítica. Protocolo de sincronización.

Los puntos de entrada de un recurso indican la cantidad de procesos que pueden utilizar simultáneamente al mismo. Si un recurso tiene sólo un punto de entrada, se lo denomina recurso crítico o recurso no compartible.

Región crítica de un proceso es la fase o etapa en la vida de ese proceso concurrente en la cual accede a un recurso crítico para modificarlo o alterarlo. El uso adecuado de la concurrencia entre procesos exige la capacidad de definir secciones críticas y hacer cumplir la exclusión mutua. Cualquier servicio o capacidad que dé soporte para la exclusión mutua debe cumplir con un protocolo de sincronización, que tiene los requisitos siguientes:

1. Debe cumplirse la exclusión mutua: sólo un proceso de entre todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso u objeto compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un instante dado.

2. Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin estorbar a los otros. Es decir que si se cuelga un proceso que está usando un recurso, los demás procesos que esperan deben poder acceder al recurso de todas formas (el S.O. mata al proceso que se colgó y así libera al recurso).

3. No se puede demorar indefinidamente la entrada de un proceso a un cierto recurso; no debe permitirse el interbloqueo y la inanición. Todos los procesos deben poder acceder al recurso que solicitan, sino se van a morir sin usarlo y no es justo.

4. Cuando ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin dilatación. Es decir, si nadie está usando un cierto recurso, entonces se le otorga al primer proceso que lo solicite.

5. No se pueden hacer suposiciones sobre la velocidad relativa de los procesos o su número (cantidad de procesadores). Nunca se puede saber a priori si a un proceso le falta mucho o poco para terminar.

6. Un proceso permanece en su sección crítica sólo por un tiempo finito. Esto sirve para evitar que un proceso se quede con un recurso por mucho tiempo y para que un recurso no se quede trabado sin sentido.
Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED)/Ingeniería Técnica en Informática (Gestión/Sistemas).Sistemas Operativos I Tema-III/I-Sincronización y comunicación de procesos/I (n.d). Extraído el 24 de octubre de 2008 desde http://www.erubio.es/files/SO1_Tema3_1.pdf

Exclusión mutua (informática) (3 de mayo de 2008). Extraído el 24 de octubre de 2008 desde http://es.wikipedia.org/wiki/Exclusi%C3%B3n_mutua_%28inform%C3%A1tica%29

Introducción a los sistemas operativos. Capitulo 4. Concurrencia: Exclusión mutua y sincronización (n.d). Extraído el 24 de octubre de 2008 desde http://www.hackinc2000.com/sistemasoperativos/Content/Cap04.html