Procesos: Componentes y estados

• Un proceso es un programa en ejecución, con ejecución secuencial.

Componentes de un Proceso

• Sección de texto: El código del programa.
• Contador de programa (PC): Indica la próxima instrucción a ejecutar.
• Registros del CPU: Estado actual del proceso.
• Pila (Stack): Datos temporales (parámetros, direcciones de retorno, variables locales).
• Sección de datos: Variables globales.
• Heap: Memoria asignada dinámicamente.
• Un programa es pasivo, mientras que un proceso es activo porque está cargado en memoria.

Estados de un Proceso

• Nuevo: El proceso acaba de ser creado y el SO está reservando recursos para él.

• Listo: El proceso tiene todos los recursos necesarios y está a la espera de que el CPU lo ejecute, encontrándose en la cola de listos del planificador.

• El CPU sólo puede ejecutar un proceso a la vez por núcleo, así que el SO alterna entre ellos.

• En Ejecución: El proceso está siendo ejecutado por el CPU de forma secuencial.

• Transiciona de este estado si termina su tiempo de CPU o si necesita esperar un evento, como leer un archivo y entonces pasa a Waiting.

• Esperando: El proceso no puede continuar hasta que ocurra un evento externo, como E/S, señales o sincronización.

• Se localiza en una cola de espera asociada al recurso que necesita.

• Terminado: El proceso ha finalizado su ejecución, liberando sus recursos pero el PCB puede quedar temporalmente para que el padre lea su estado.

• Zombie: Proceso terminado cuyo estado no ha sido leído por el padre.

• Huérfano: Proceso cuyo padre terminó antes que él, siendo adoptado por init.

Bloque de Control de Proceso (PCB)

• Es una estructura de datos con la que el sistema operativo gestiona cada proceso, el cual facilita al SO suspender y reanudar procesos, facilita los cambios de contexto entre procesos y mantiene el aislamiento entre procesos para seguridad y estabilidad.

Componentes Clave del PCB

• Información de Identificación: Incluye PID (identificador único), PPID (ID del proceso padre), y permisos de acceso de usuario/grupo.
• Estado del Proceso: Registra el estado actual (Nuevo, Listo, Ejecutando, Esperando, Terminado).
• Información de Ejecución: Incluye el contador de programa (PC) y los valores de los registros del CPU.
• Información de Planificación: Incluye la prioridad del proceso, la política de scheduling y el tiempo restante de CPU.
• Gestión de Memoria: Direcciones de memoria asignadas y límites de memoria.
• Contabilidad: Tiempo de CPU usado y hora de inicio del proceso.
• Estado de E/S: Lista de archivos abiertos y dispositivos asignados.
• En un cambio de contexto, el estado del proceso actual se guarda en su PCB y se carga el estado del nuevo proceso desde su PCB.

Hilos

• Un hilo es una secuencia de instrucciones que puede ser manejada independientemente por el planificador del SO.

• En un proceso tradicional, 1 hilo = 1 flujo de ejecución, si el proceso tiene multihilos, tiene múltiples hilos que comparten recursos como memoria y archivos.

• Comparten la memoria del proceso así como permisos y atributos y tienen exclusivos un contador de programa, registros del CPU y Stack.

• Es más eficiente crear un hilo que un proceso y la comunicación entre hilos es más rápida.

• Los hilos pueden estar en estado Ready, Running o Blocked.

• Pueden ocurrir condiciones de carrera cuando varios hilos acceden a un recurso compartido y se debe usar mutex o semáforos para bloquear los hilos.

• Se produce un deadlock, cuando dos hilos se bloquean mutuamente esperando recursos (Hilo A espera un recurso de B, y viceversa).

Planificación de Procesos

• La planificación es usada por el Sistema Operativo y su objetivo principal es optimizar el uso del CPU y garantizar un sistema receptivo del CPU.

Objetivos Clave

• Maximizar la utilización del CPU

• Equidad

• Minimizar tiempo de respuesta

• Throughput

• La cola de listos contiene procesos en estado Ready, y la cola de espera, procesos en estado Waiting.

• El planificador selecciona el próximo proceso a ejecutar desde la cola de listos.

• En un cambio de contexto, el SO guarda el estado del proceso actual en su PCB, carga el estado del nuevo proceso desde su PCB y transfiere el control al nuevo proceso.

• El cambio de contexto implica una sobrecarga ya que el CPU no hace trabajo útil, solo guarda y restaura estados entre 1 a 100 microsegundos.

Algoritmos de Planificación

• First-Come, First-Served (FCFS): Se ejecutan en orden de llegada, pero si un proceso largo llega primero, los cortos esperan mucho.
• Shortest Job First (SJF): Ejecuta primero el proceso con menor tiempo de CPU restante, optimizando minimización del tiempo de espera pero difícil de predecir.
• Round Robin: Cada proceso recibe un quantum de CPU antes de ser interrumpido.
• Prioridades: Los procesos con mayor prioridad se ejecutan primero, pero procesos de baja prioridad puede que nunca de ejecuten.

Creación y Terminación de Procesos

• Los procesos se organizan en una jerarquía árbol, donde cada proceso tiene un padre.
• fork(): Duplica el proceso actual en sistemas UNIX/Linux.
• Crea un hijo idéntico, con el mismo código, memoria y archivos, diferenciándose solo en el valor retornado (PID del hijo para el padre, 0 para el hijo).
• exec(): Reemplaza el programa actual por uno nuevo sin crear un nuevo proceso, solo reemplaza el código ejecutado.
• Los modelos de compartición de recursos pueden ser con todo (herencia total), con un subconjunto específico o sin compartición.
• Terminación normal: El proceso libera recursos (memoria, archivos) y comunica su estado al padre por medio de código de salida.
• Terminación forzada: El padre mata al hijo, por uso excesivo de recursos o porque la tarea del hijo ya no es necesaria.

Estado Zombie

• Hijo que terminó pero el padre no ha llamado wait(), consumiendo entrada en la tabla de procesos hasta que el padre lee su estado usando wait() o ignora señales.
• Estado Huérfano: Hijo que sigue ejecutándose cuando el padre termina, siendo asignado al proceso init (PID 1) como padre adoptivo.

Comunicación entre Procesos (IPC)

• Memoria Compartida: Los procesos acceden a una región de memoria común, siendo más rápido que el paso de mensajes pero requiere sincronización.
• Paso de Mensajes: Los procesos se comunican enviando mensajes a través de canales, como pipes, sockets o colas de mensajes, siendo más seguro pero también más lento que memoria compartida.
• En UNIX un Pipe puede ser sincrónico o asíncrono
• Condición de Carrera: Ocurre cuando múltiples procesos acceden a un recurso compartido sin sincronización, y el resultado final depende del orden de ejecución.

Pipes (Tuberías)

• Un canal de comunicación unidireccional y puede haber Pipes ordinarios y con nombre.
• Los Pipes Ordinarios (Anonymous Pipes) son para comunicación entre procesos relacionados y son temporales.
• Los Named Pipes (FIFOs) son para la comunicación entre procesos no relacionados y persisten en el sistema de archivos.

Sockets

• Puntos de comunicación bidireccionales que pueden usarse en la misma máquina o en red y soportan múltiples protocolos (TCP, UDP).
• Los Sockets de Dominio Unix son para comunicación local en la misma máquina y son más rápidos que TCP/IP.
• Los Sockets de Red (TCP/UDP) son para la comunicación entre máquinas.

Colas de Mensajes

• Una cola de sistema asíncrono donde los procesos envían y reciben mensajes gestionada por el kernel y persisten y hay prioridades.

Comunicación entre Procesos Comparativa

• Los Pipes son unidireccionales y volátiles, solo para procesos padre-hijo.
• Los Sockets son bidireccionales y volátiles, con cualquiera relación entre procesos.
• Las colas de mensajes son bidireccionales y persistentes, con cualquier relación entre procesos.

Llamadas a Procedimientos Remotos (RPC)

• Un proceso permite llamar a funciones en otra máquina como si fueran locales, y componen Stub del cliente y Stub del servidor.
• El Stub del cliente traduce la llamada local a un mensaje de red y el Stub del servidor recibe el mensaje y ejecuta la función real
• Los Pipes, Sockets y RPCs permiten una arquitectura Cliente-Servidor