Concepto y Estructura de Proceso

Concepto de Proceso

• Un proceso es un programa en ejecución, representando la unidad de trabajo en sistemas informáticos modernos
• Un sistema operativo se compone de varios procesos ejecutando código de usuario o del sistema operativo (SO)
• Se puede ejecutar múltiples procesos simultáneamente, con la CPU multiplexando entre ellos

Estructura de la Memoria de un Proceso

• La memoria utilizada al invocar funciones se almacena temporalmente, conteniendo parámetros, direcciones de retorno y variables locales
• La memoria asignada dinámicamente varía en tiempo de ejecución del programa
• Las variables globales tienen un tamaño fijo y no cambian durante la ejecución
• El código ejecutable posee un tamaño fijo que no cambia durante la ejecución

Estados de los Procesos

• El estado actual de un proceso se guarda en el program counter (contador de programa) y en los registros del procesador
• Un proceso es una entidad activa con un contador de programa y recursos asociados
• Un programa es una entidad pasiva, como un archivo
• Los estados de un proceso son:
• Nuevo: El proceso está siendo creado
• Ejecutando: El proceso esta ejecutando intrucciones
• Espera: El proceso espera un evento (terminación de E/S, señal)
• Listo: El proceso espera ser asignado a un procesador
• Terminado: El proceso finalizó

Procesos en GNU/Linux

• Los estados son:
• Running: El proceso se esta ejecutando o listo para ejecutar
• Interruptible: El proceso está bloqueado, esperando un evento
• Uninterruptible: El proceso está bloqueado, esperando una condición de hardware
• Stopped: El proceso se ha detenido, sólo puede reanudarse con una acción de otro proceso
• Zombie: El proceso ha finalizado, pero su información aún se mantiene en la tabla de procesos
• Idle: El proceso está inactivo
• El estado de un proceso en GNU/Linux se visualiza con comandos como ps y top

Bloque de Control del Proceso (PCB)

• Cada proceso se representa en el SO por un bloque de control de proceso (PCB)
• El PCB contiene datos necesarios para iniciar o reiniciar un proceso, y datos de conteo
• El estado del proceso puede ser nuevo, listo, en ejecución, en espera, detenido, etc...
• El program counter indica la dirección de la siguiente instrucción a ejecutar
• Registros de CPU: Varían en número y tipo según la arquitectura
• Información de planificación de la CPU: Contiene la prioridad del proceso y punteros a las colas de planificación
• Información de gestión de memoria: Registros base, límite, tablas de páginas o segmentos, según el sistema
• Información de conteo: CPU y el tiempo real utilizado, límites de tiempo, números de conteo, etc
• Información de estado de E/S: Lista de dispositivos de E/S asignados, y lista de archivos abiertos

Hilos (Threads)

• La mayoría de los SO modernos permiten que un proceso tenga múltiples hilos de ejecución, facilitando la multitarea
• Los sistemas multicore se benefician de esto porque los varios hilos pueden ejecutar en paralelo
• En sistemas que soportan hilos, el PCB se expande para incluir toda la información específica de cada hilo

Planificación de Procesos

• Multiprogramación: Maximiza el uso de la CPU al tener procesos en ejecución en todo momento
• Tiempo Compartido: Permite a los usuarios interactuar con múltiples programas concurrentemente
• El planificador de procesos elige un proceso para ejecutar en un núcleo de CPU
• Si hay más procesos que núcleos, los procesos en espera deben esperar a que un núcleo se libere para ser replanificados
• La cantidad de procesos en memoria es el grado de multiprogramación
• Objetivos requieren balancear el comportamiento de los procesos:
• Proceso limitado por E/S (I/O-bound): Dedica más tiempo a las operaciones de E/S que a los cálculos
• Proceso limitado por CPU (CPU-bound): Dedica más tiempo a los cálculos que a las operaciones de E/S

Colas de Planificación de Processos

• Los procesos se añaden a la cola de listos (ready queue) al ingresar al sistema, esperando la ejecucuón del núcleo de CPU
• Hay otras colas, con procesos esperando eventos como la finalización de operaciones de entrada/salida (E/S)(wait queue)
• La planificación habitual utiliza diagramas de colas, con colas de listos y un conjunto de colas de espera
• Los círculos representan los recursos, y las flechas indican el flujo de procesos
• Un nuevo proceso se une inicialmente a la cola de listos (ready queue)
• El núcleo asigna un proceso para ejecución o se le asigna(dispatch)
• Estando en ejecución pueden ocurrir varios eventos:
• Podría solicitar E/S y ser colocado en la cola de E/S
• Podría crear un nuevo hijo y ponerse el cola de espera mientras espera por su terminación
• Swapping significa eliminar temporalmente un proceso de la memoria

Tipos de Planificación

• El programador de la CPU (CPU scheduler) selecciona un proceso listo y se lo assigna a la CPU
• El CPU scheduler necesita seleccionar los procesos frecuentemente
• E/S-bound puede ejectutarse sólo milisegundos antes de una solicitud E/S
• CPU-bound requiere un core de CPU por major tiempo
• Idealmente el CPU scheduler debe ejecutarse al menos cada cada 100 milisegundos
• Algunos SO utilizan swapping, que permite eliminar procesos temporalmente de la memoria
• Es necesario usar swapping cuando el la memoria se ha comprometido en exceso

Cambio de Contexto (Context Switch)

• Cuando ocurre una interrupción, el sistema necesita guardar el contexto del proceso actual
• El contexto se representa en el PCB.
• Para cambiar un core requiere:
• Guardar el estado del proceso actual
• Restaurar el estado de un proceso diferente (context switch)
• El cambio de contexto es una sobrecarga ya que el sistema no realiza trabajo útil
• La velocidad del cambio del contexto depende del la velocidad de memoria, el número de registros para copiar y otras instrucciones
• Velocidad típica de microsegundos

Operaciones en Procesos

• El proceso padre (parent) crea procesos hijos (children), formando un árbol de procesos
• La mayoría de los Sistemas Operativos (UNIX, GNU/Linux y Windows) identifican procesos con un identificador único (PID)
• El PID es un valor único para cada proceso, en sistemas GNU/Linux esto se puede visualizar con "pstree"

Creación de Procesos

• Cuando el proceso crea un child, el proceso hijo necesita recursos, como tiempo de CPU, memoria, y archivos
• El proceso puede obtener los recursos directamente.
• Puede estar limitados al conjunto de recursos del proceso parent
• El parent puede dividir sus recursos entre sus hijos
• Al ejectuar:
• El parent puede continuar ejecutándose concurrentemente con sus hijos
• El parent puede esperar que los hijos finalizen
• El espacio de memoria para el proceso nuevo:
• El proceso child se hace un duplicado del padre, copiando los datos.
• El proceso child ejecuta un nuevo programa

Ejemplos de Creación

• Sistemas GNU/Linux, usan "fork" desde el compilador C
• Sistemas Windows, usan la "CreateProcess" function

Terminación de Procesos

• Un proceso finaliza cuando exits.
• El proceso se comunica con el parent mediante exit(), devuelve un valor
• El SO retorna los recursos
• El proceso parent puede acabar con la ejecucuión un proceso child con "system call*".
• Por norma general sólo el parent puede hacer esto, puesto que una app maliciosa podría eliminar otros procesos
• El parent necesita conocer el PIDs de sus hijos, sólo puede terminarlo si hay una relación entre ellos
• El parent puede finalizar la ejecución child con varias opciones.
• Que exceda el limite de recursos
• La tarea assignada no sea necesaría
• El parent termina y se cancela el child

Terminación de Procesos y procesos zombie

• Un estado "zombie" es un proceso child que ha finalizado pero el parent no ejecutó wait()
• Si el parent no invoca a wait() al terminar, deja los procesos children huérfanos

Mecanismos de Comunicación entre Procesos

• Pueden ser:
• Independientes: No comparten datos con otros procesos.
• Cooperativos: Son afectados por otros processes
• Razones para Cooperar:
• Compartir Información
• Acelerar cálculos
• Modularidad
• Requerimiento cooperativo en el mecanismo de comunicación entre procesos (IPC) que dejan interconectar datos

Modelos de Comunicación

• Memoria Compartida, y Paso de Mensajes
• Memoria Compartida: +rápido, requere system calls
• Paso de Mensajes: Datos pequeños, fácil implementación

Sistemas de Memoria Compartida IPC

• Requiere la creación de un área en la memoria para los procesos a comunicarse
• En general esos procesos deben tener áreas de direcciones vinculadas
• La ubicación de los datos es determinada por esos procesos, no por el SO
• Los procesos responsables necesitan verificar que no se escriban simultáneamente a la misma ubicación

Memoria Compartida. El Problema Productor - Consumidor

• Un producer crea información que se consume por consumer
• Una solución común es usar la memoria compartida para uso concurrente entre productor y consumidor
• El producer y el consumer deben syncronizarse mutuamente

Buffers

• Es requisito el estar syncronizado entre en el producer y el consumer evitando consumir ítems no finalizados todavía
• Buffer Unbound, no establecido en práctica con tamaño ilimitado, consumidor debe esperar que ocurran nuevos items
• Buffer Bounded, tamaño ya establecido, el consumer necesita estar listo o esperar, el producer se asegurará de estar lleno
• En memoria compartida, el **in apunta a la siguiente posición buffer, el out es primero el fin
• *"buffer está vació cuando in == out"
• El "buffer está lleno cuando (in + 1) % BUFFER SIZE) == out"
• Consumer - "buffer[out]", "[out] = (out + 1) % BUFFER SIZE "
• Producer - "buffer[in] = nextproduced", "in = (in + 1) % BUFFER SIZE"

Sistemas en Paso de Mensajes IPC

• El SO es proporcionar una metodología de pasaje de mensajes para que los procesos cooperativos se comuniquen
• Envío del mensaje que deja a los procesos la sincronización y la comunicación sin dejar acceder al espacio con la misma dirección
• Es útil cuando tienes diferentes computadoras en red, ya que el SO proporciona la comunicación mediante "send" y "receive"
• "Send" tiene la variable message, cuyo tamaño puede ser constante o no.

Comunicación

• Es necesario que existan links entre procesos P y Q
• Los links pueden ser físicamente o logícamente implementados
• Hay diferentes métodos de implementar logícamente link y operaciones send()/receive()

Métodos de Comunicación

• Directo o Indirecto, Syncrónico y Asynchrónico, y en búfer automático o explícito
• En comunicación directa, los procesos se dan nombres mutuamente, la vinculación entre links se obtiene automáticamente
• En comunicación indirecta, los mensajes se envían y reciben en "mailboxes", y se requiere la presencia de mailboxes con identificación única

Resolución del problema de Multi-Acceso en el mailbox

• Permitir un link sólo por dos procesos como máximo
• Permitir que sólo un proceso ejecute una receptción por vez
• Permitir un sistema que arbitrariamente deje seleccionar al receptor.

Mailboxes

• Los Mailboxes pueden pertenecer a un proceso o al SO, mediante sistemas Crear un mailbox, Operaciones envío y recibo, y Botrar un mailbox.

La sincronozación de las primitivas send()/receive()

• Pueden bloquearse o no, o ser sincrónicos o asynchrónicos
• Al enviarse en bloqueo el envío sucede hasta que hay un mensaje valido
• No bloqueo el envío: envía pero continua
• Recibo con bloqueo: el receptor se bloquea hasta que se envíe
• Recibo sin bloqueo: Se envia un mensaje valido o nulo
• Rendezvous: El emisor y receptor ambos se bloquean, y es una trivial solución al problema productor consumidor

Búfer. Buffering

• En el modelo del sistema de IPC de pasajeros los mensajes son interceptados por la cola:
• cero capacidad, no puede esperar los mensajes, el que envía debe bloquear
• Capacidad limitada, la memoria tiene una longitud, entonces deben recebir la memoria usada con los ítems o bloquear la función hasta que haya más espacio
• Capacidad ilimitada, la memoria tiene la longitud infinita, y con un envió por defecto que no bloqueá

Ejemplos IPC sistema POSIX

• *Portable Operating System Interface, representan el conjunto de estándares principales en unix y Windows
• General nombre que asigna 3 mecanismos IPC: Colas Mensajes, Semoforos y Memoria Compartida Posix.
• colas Mensajes, permiten la Prioridad, dando a los msj que es necesario enviar primero
• Semáfores, la llamada es sincronizada para multiples procedimientos POSIX con un valor que nunca es menor que cero
• Memoria Compartida, facilita la zona con multiples processes, mediante método rápido IPC dejando de actualizar la información desde los cambios

Sistema de Pipes

• Actua como conductores de comunicación entre procesos
• Los sistemas UNIZ, da facilidad de uso para comunicarse aún la comunicación esté limitadan
• Conexión: one way or two way commnunication, si la comunicación es semi dupléx, que deje la información viajar sólo con la dirección asignada o dupléx completo deje viajar los datos desde las dierecciones asignadas.
• Relacionado parent-child si la comunicación es de la red, the processus must rest a common machine

Los Procesos Ordinarios The Ordinaries Pipes

• Los procesos ordinarios o comunes permite que los dos procesos comuniquen por el modelo productor consumidor, con escritura, y la data se lee
• Sistema UNIX construyen con la función pipe(intfd[]), retorna y lee, el descriptor de archivo desde la escritura

Ejemplo del Sistema Ordinary Pipes

• Se trata como archivo en llamada y retorna desde los filesystem read/write
• No puede acceder al proceso exterior, el padre creando, mediante fork el pipes
• Como el child hereada lo abierto del padre, el "pipe" va para el *type especial file"

Ejemplo en *Ordinary Pipes *

• Hay code para Unix - C

Los Named Pipes - Ejemplo Linux

• Sistema mas simple para un par de procesos a comunicarse desde Sistemas UNIX y Windows, es finito el uso
• En el code tienen varios writes, y continúa una vez finalizado
• El código puede ser *two way, it doesn't requires *relacionamiento de hijo e puede ser multi proceso en write

Comunicación Cliente-Servidor, y Sockets

• El puro de comunicar viene a la end point, la comunicación por la Net usa los sockets
• Estos tienen direccionamientos tipo" Internet Protocol Address- IPaddress” concatenanda con port
• En general, usan la tecnología cliente/servidor
• Los servers escuche por el puerto específico, una vez que el " server" recibe la la llamada , hace la conección

AlgunOS servidores, y sus puertos

• *El SSH puerto es a partir del 22, *FTP es en 21, la "Web es 80
• Todos los puertos a bajo de 1024 son conocidos y para implementación de Services estándar
• Un cliente inicia hace un puerto
• La connexión se hace con un par de "Sockets" uno del host, uno del server "Envia y Recibe, en dependencia de la dirección del type_ end point que va
• La data es con conexiones únicas dentro del servidor de la conexión.

Los Sistemas se Remote Procedural Calls-RPC

• Tiene un método de call-procedimientos con conectividad entre la red
• Al diferente lo IPC los ""msj" en la comunicación RPC van estructured
• Y va al escucha por el demon", el porte del Remoto y cada vez tenga el identificador.

El *porte, al comenzar y la cantidad de mensajes tiene número incluido al principio

• Los sistemas normales tienen Port es red son muchos dirección IP diferencia