Gerência do Processador

Gerência do Processador

• A gestão do processador surge com sistemas que executam vários programas simultaneamente.
• Vários processos ocupam a memória principal e compartilham o uso da CPU.
• A política de escalonamento considera vários processos prontos para execução.
• A escolha do processo a ser executado depende do algoritmo definido.
• Objetivos principais: maximizar a utilização do processador, aumentar o throughput e diminuir os tempos de turnaround, espera e resposta.

Funções Básicas do Processador

• As funções básicas incluem manter o processador ocupado o máximo possível.
• O processador balanceia o uso da CPU entre os processos, além de privilegiar aplicações críticas.
• O processador maximiza o throughput do sistema e oferece tempos de resposta razoáveis aos usuários.

Escalonador (Scheduler)

• O escalonador é responsável por implementar os critérios da política de escalonamento.
• Todo o uso da CPU depende dessa rotina.

Dispatcher

• É a rotina do SO que gerencia a troca de contexto entre os processos.
• A latência do dispatcher é o tempo necessário para realizar essa troca.

Critérios de Escalonamento

• Implementados baseados nas características de cada sistema operacional.
• Tempo Compartilhado (Time Sharing) permite a execução justa de todos os processos.
• Tempo Real (Real Time) garante que processos críticos sejam executados prioritariamente.

Critérios de Política de Escalonamento

• Os principais critérios incluem maximizar a utilização do processador.
• O throughput (número de processos executados por unidade de tempo) conta como requisito.
• O tempo de processador (CPU) é o tempo que um processo leva em execução.
• O tempo de espera é o tempo total que um processo passa na fila de prontos.
• O tempo de turnaround é o período desde a criação até o término de um processo, englobando alocação de memória, tempo na fila de prontos, uso da CPU e espera.
• O tempo de resposta é o intervalo entre a solicitação e a resposta do sistema, influenciado pela velocidade dos dispositivos de E/S.

Escalonamentos Não-Preemptivo e Preemptivo

• São classificados conforme a capacidade do SO de interromper e substituir processos em execução.

Escalonamento Não-Preemptivo

• Não há perda do processador causada por eventos externos.
• A execução termina quando o processo conclui sua tarefa ou aguarda uma instrução do código.

Escalonamento Preemptivo

• O SO pode interromper processos em execução, movendo-os para o estado de "pronto".
• Aloca outro processo para uso da CPU.

Escalonamento First-In-First-Out (FIFO)

• Também é conhecido como First-Come-First-Served (FCFS).
• O primeiro processo na fila de prontos é o primeiro a ser executado, de forma não-preemptiva.
• A impossibilidade de prever o início da execução é um problema.

Escalonamento SJF (Shortest-Job-First) e SRT (Shortest Remaining Time)

• O SJF seleciona o processo com o menor tempo de processador para executar, ele é não preemptivo.
• O SRT realiza a preempção dos processos em execução por processos com menor tempo de processamento.

Escalonamento Cooperativo

• Aumenta a capacidade de executar múltiplos processos, especialmente em políticas não-preemptivas como FIFO e SJF.
• Um processo libera o processador voluntariamente e retorna à fila de espera.

Escalonamento Circular (Round Robin)

• É semelhante ao FIFO.
• Trabalha com fatias de tempo (time-slice) ou quantum de uso do processador.
• A preempção ocorre por tempo.
• A vantagem é que não permite que um processo monopolize a CPU.
• Fatias de tempo muito pequenas levam a preempções excessivas, mudança de contexto e aumento do tempo de resposta.

Escalonamento por Prioridades

• Baseado em um valor associado a cada processo, ele sendo preemptivo.
• Processos com maior prioridade são escalonados primeiro.
• Processos com mesma prioridade seguem o critério FIFO.
• Ocorre preempção por interrupção de clock.
• A starvation (inação) se caracteriza como problema: um processo nunca é executado por ser de menor prioridade.
• A técnica de aging aumenta gradualmente a prioridade para mitigar a inanição.

Escalonamento Circular por Prioridades

• Baseado em fatia de tempo e prioridade para execução.
• Permite balancear do uso da CPU em sistemas "time-sharing".

Escalonamento por Múltiplas Filas

• Utiliza diversas filas de processos em estado de "pronto", cada uma com prioridades específicas.
• As filas são divididas por importância, tipo de processamento ou área de memória necessária.
• O SO só executa processos de uma fila se todas as filas de maior prioridade estiverem vazias.
• Uma vantagem é a convivência de mecanismos variados no mesmo SO.
• Uma desvantagem é a impossibilidade de realocar um processo para outra fila se seu comportamento mudar.

Escalonamento por Múltiplas Filas com Realimentação

• Processos podem trocar de filas durante seu processamento.
• Utiliza um mecanismo FIFO adaptado, exceto na fila de menor prioridade, que usa escalonamento circular.
• O escalonamento em uma fila só acontece com as outras filas vazias.
• Para fatias de tempo, prioridade da fila é inversamente proporcional a fatia de tempo.

Gerência de Processos

• Possibilita aos programas alocação de recursos, compartilhamento de dados, troca de informações e sincronização da execução.
• Um programa em execução sempre estará associado a um processo.

Sistemas Multiprogramáveis

• Um único processador executa vários processos de forma concorrente.
• Eles compartilham recursos como CPU, memória e E/S.

Sistemas com Múltiplos Processadores

• Vários processadores executam processos simultaneamente.

Estrutura do Processo

• O processador executa ciclos de busca e instruções, busca a instrução na memória, armazena no registrador IR, decodifica bits e executa.
• Cabe ao SO implementar a concorrência entre programas.

Processo - Conceitos

• Um processo é um programa em execução para que o SO implemente a concorrência.
• É a troca de um processo por outro no processador por meio do SO.

Composição do Processo

• Um processo é formado por: contexto de hardware, software e espaço de endereçamento.

Contexto de Hardware

• Armazena o conteúdo dos registradores do processo em execução.
• Os registradores incluem os de uso geral e os específicos: (PC - Program Counter, SP - Stack Pointer, Status).

Contexto de Software

• Determina os limites e as características dos recursos que podem ser alocados ao processo.
• Limita o número de arquivos abertos simultaneamente, prioridade de execução e tamanho do buffer para E/S.
• Determinação de informações de identificação, quotas e previlégios ou direitos.

Espaço de Endereçamento

• Área de memória pertencente ao processo utilizada para armazenar instruções e dados; cada processo tem seu próprio espaço.

Bloco de Controle de Processo (PCB)

• É uma estrutura de dados implementada pelo S.O.
• Armazena o contexto de hardware, software e espaço de endereçamento dos processos e contém os PCBs dos processos ativos ficam na memória principal.
• O SO localiza as informações do PCB por meio de uma tabela de processos.

Processos Independentes, Subprocessos e Threads

• Processos independentes, subprocessos e threads são formas diferentes de se implementar concorrência.
• São formas de implementar concorrência em uma aplicação.
• A divisão de código dos processos independentes permite compartilhamento.
• Processos independentes possuem seu próprio PCB com contexto de hardware, software e espaço de endereçamentos.

Subprocessos

• São criados dentro de uma estrutura hierárquica.
• O processo criador é chamado processo-pai, e os outros são subprocessos ou processo-filho.
• Um subprocesso pode criar outros subprocessos, de forma que há dependência entre o processo criador e o subprocesso.

Processos Independentes e Subprocessos

• A criação de processos independentes e subprocessos gera consumo de diversos recursos do sistema.
• Os recursos consumidos são alocados e desalocados.

Thread

• Um conceito criado para reduzir os tempos de criação, eliminação e troca de contextos de processos.
• Possuem contexto simplificado (hardware e software), mas compartilham o espaço de endereçamento,
• Se compartilham espaço, não existe proteção no acesso à memória e uma thread pode alterar dados outras threads.

Ambientes

• Ambientes monothread suportam apenas uma única thread em execução.
• Ambientes multithread suportam um único processo, múltiplos threads.
• Existe uma parte do código da aplicação associada a cada thread.

Implementação de Threads

• Existem três tipos: Modo Usuário (TMU), Modo Kernel (TMK) e Modo Híbrido.

Threads Modo Usuário (TMU)

• A implementação é feita pela aplicação, não pelo SO.
• São rápidos e eficientes por não acessarem o kernel.

Threads Modo Kernel (TMK)

• A implementação é feita diretamente pelo núcleo (kernel) do SO.

Threads Modo Híbrido

• Combina implementações de threads em modo usuário e modo kernel.
• O núcleo reconhece os TMKs e pode escaloná-los individualmente.
• Um TMU pode ser executado em um TMK em um momento e em outro em outro momento.

Comunicação entre Processos

• Aplicações concorrentes compartilham recursos do sistema incluindo arquivos, registro, dispositivos.
• Interprocess Communication (IPC) envolve comunicação.
• A comunicação ocorre por mecanismos como variáveis em memória ou troca de mensagens.
• O objetivo é garantir integridade e confiabilidade em aplicações concorrentes.

Condição de Corrida

• Conjunto de eventos gerando resultados não determinísticos.
• Quando dois ou mais processos leem ou gravam dados compartilhados e a ordem de execução afeta o resultado final.

Região Crítica ou Seção Crítica

• É uma parte do código onde a memória compartilhada é acessada.
• É necessário garantir exclusão mútua para permitir que um processo tenha acesso à região crítica por vez.
• Um processo deve aguardar a exclusividade.

Deadlock (Impasse)

• Sistemas computacionais usam recursos de uso exclusivo.
• O SO concede temporariamente acesso exclusivo.
• Um deadlock existe quando dois ou mais processos entram em impasse aguardando por um recurso indisponível.

Condições Necessárias para o Deadlock

• Quatro condições devem estar presentes simultaneamente: exclusão mútua, posse e espera, não preempção, espera circular.

Deadlock – Prevenção

• Soluções incluem usar spool, requisitar todos os recursos necessários inicialmente, retomar recursos alocados e forçar ter apenas um recurso por vez.

Deadlock - Tratamento

• O algorítimo da Avestruz ignora o problema.
• Detecção e Recuperação envolve monitoramento de requisições e mortes de processos se houver ciclos.
• O algorítimo do banqueiro envolve informar informações e estados de alocação de recursos.

Starvation (Inanição)

• Um processo não ser executado por processos de alta performance estarem sendo executados.