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1. PROCESOS E HILOS
Juan Rafael Álvarez Correa
jalvarez@debian.org
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2. CAPITULOS
■ 0 – Arquitectura del computador
■ 1 – Introducción a los sistemas operativos
■ 2 – Procesos e hilos
■ 3 – Comunicación, concurrencia y bloqueos
■ 4 – Gestión de memoria
■ 5 – Entrada y salida
■ 6 – Gestión de archivos y directorios
■ 7 – Seguridad y protección
■ 8 – Sistemas distribuidos
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3. PROCESO
■ Programa en ejecución
 Espacio de direcciones (Direcciones contiguas)
➔ Acceso uniforme a recurso y control de acceso
 Instrucciones (programa)
➔ Define el comportamiento del programa
 Datos
➔ Variables estaticas y automaticas
 Recursos
➔ Se le asignan recursos CPU y memoria y se pueden
solicitar explicitamente (archivos)
 Hilos
➔ Flujos de ejecución del programa 3

4. HILO
■ Si el proceso solo tiene un hilo
 Es llamado un proceso clasico y su hilo es
llamado hilo base
■ Si el proceso puede tener multiples hilos
 Es llamado un proceso moderno
 A cada hilo de un proceso moderno se le llama
un proceso liviano
 Por cada hilo existe una pila diferente, pues
cada hilo puede ejecutarse a su propio ritmo
 La unidad de planificación es el hilo o el proceso
liviano y no el proceso moderno que lo contiene
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5. MAQUINA ABSTRACTA
■ Simulación de una maquina real, mediante
la multiplexación de memoria y CPU
 Procesos clasicos
➔ Una motor de ejecución para cada proceso clasico
 Procesos modernos
➔ Una motor de ejecución para cada proceso liviano
■ Interfaz de maquina abstracta
 Instrucciones de la CPU de usuario
 Llamadas al sistema
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6. GESTION DE PROCESOS
■ Creación y terminación de hilos y procesos
■ Sincronización entre procesos/hilos
■ Reserva de recursos (solo CPU)
■ Cooperación con:
 Gestor de memoria
➔ Implementar espacio de direcciones
 Gestor de I/O
➔ Dispositivos con correlación a memoria
➔ Gestion de interrupciones
- Reloj para expropiar
- Dispositivos para cambios de estado en los procesos
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7. PROCESO HARDWARE Y TRAZA
■ Es el flujo simple de ejecución que realiza
directamente la CPU
 BIOS
 Cargador (Etapa1 y Etapa2)
 Nucleo
➔ Gestor de procesos
➔ Gestor de memoria
➔ Gestor de dispositivos
➔ Gestor de archivos
 Proceso inicial (init -generalmente PID=0-)
➔ SYSV y BSD
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8. CAMBIO DE CONTEXTO
■ Para multiplexar la CPU (proporcionar
varias maquinas abstractas)
 Se debe conmutar entre procesos
periodicamente
 La conmutación implica almacenar el estado del
procesador, correspondiente al proceso ...
actual (contexto) y ubicar el estado de otro
proceso ... en el procesador
 ¿Como se logra esto?
➔ El reloj emite una interrupción a intervalos regulares
para propiciar la invocación en el gestor de procesos
del planificador: Componente responsable de
seleccionar un nuevo proceso para ejecutar
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9. DESCRIPTOR DE PROCESO
■ Cuando el sistema operativo crea un
proceso:
 Se crea un espacio de direcciones para el
proceso
 Estructuras de datos del sistema operativo para
representar el proceso ...
➔ Descriptor de proceso ...
■ Cuando se termina un proceso estas
estructuras se eliminan
■ Anti-Ing de Software: El gestor de
dispositivos accede directamente la
estructura 9

10. DESCRIPTOR DE PROCESO
■ Identificador del proceso
■ Relaciones (padre, hijos)
■ Propietario
 Usuario dueño del proceso
■ Espacio de direcciones
 Comun a todos los hilos
■ Recursos
 Archivos abiertos
■ Referencias a los hilo(s)
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11. DESCRIPTOR DE HILO
■ Identificador del hilo
■ Relaciones
■ Estado
 El estado es diferente para cada hilo
■ Estadisticas de ejecución
■ Punteros de pila
 Cada hilo tiene una pila separada
■ Recursos especificos
■ Contexto
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12. CONTEXTO
■ Contexto
 Estado de la CPU
■ Cambio de contexto
 Almacenar y restaurar el contexto
■ Tipos
 Cambio de contexto en interrupciones
➔ Por hardware y llamadas al sistema
➔ Cambio entre modo usuario y modo nucleo
 Cambio de contexto entre procesos
➔ Cuando un nuevo proceso es planificado
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13. MULTIHILO
■ ¿Cuando una aplicación debe estar
programada con multiples hilos?
 ¿Existen en una misma aplicación operaciones
que no dependan de otras operaciones?
➔ Imprimir un documento, procesar click de mouse
 ¿Existen pocos recursos que deban ser
compartidos por los hilos?
 ¿Esta preparado para los problemas de
concurrencia?
 ¿La aplicación puede ser dividida en varias
responsabilidades?
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14. HILOS A NIVEL DE USUARIO
■ Caracteristicas
 La abstracción de hilo la realiza la aplicación
 El nucleo desconoce la existencia de hilos
 El cambio de contexto se hace en la aplicación
 La planificación la realiza la aplicación
■ Desventajas
 Un hilo puede monopolizar el procesador
 La aplicación no usa la potencia de SMP
 El bloqueo de un hilo, bloquea todos los hilos
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15. GESTORES DE RECURSOS
■ Recurso
 Componentes de la maquina abstracta que son
necesarios para un proceso
 Cualquier cosa que potencialmente detiene un
proceso de ejecución
■ Comportamiento comun de los diferentes
componentes del sistema operativo
 Gestor de dispositivos (recurso = dispositivo)
 Gestor de memoria (recurso = memoria)
 Gestor de procesos (recurso = procesador)
 Gestor de archivos (recurso = archivo)
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16. GESTORES DE RECURSO
■ Mecanismo
 Forma en la que se accede al gestor de recursos
para la reserva o liberación de los mismos
➔ Funciones envolventes
➔ ABI para la invocación de trap
➔ Interrupción de reloj + ISR
■ Politica
 Comportamiento especifico del gestor de
recurso
➔ Implementación especifica en la reserva o liberación
➔ A quien se asigna? Cuando se asigna?
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17. GESTORES DE RECURSOS
■ Reserva de recursos
 El proceso liviano/proceso clasico (parte activa
del proceso) es responsible de reservar
explicitamente los recursos
➔ Recurso = no disponible, el proceso ... = “espera”
➔ Recurso = disponible, el proceso ... = continua
■ Tipos
 Recursos reutilizables
➔ Se pueden reservar y devolver (CPU, memoria)
 Recursos consumibles
➔ Una vez reservados no se devuelven (datos de
entrada) 17

18. ESTADOS
■ Diagrama de estados
 Representa los diferentes estados en los que un
hilo puede estar
 Las transiciones posibles de un estado a otro en
el sistema operativo
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19. MODELO DE 3 ESTADOS
Solicitud
Hecho En ejecución
Solicitud Ceder
Planifica
Bloqueado Listo Inicio
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20. MODELO DE 5 ESTADOS
■ Modelo que permite el control de un hilo
por parte de otro hilo (controlador)
■ Se introducen los estados *suspendidos
para reflejar la no autorización por parte del
controlador
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21. PLANIFICADOR
■ Parte del gestor de procesos que se
encarga de multiplexar la CPU en el tiempo
■ Cuando puede ser invocado
 Un hilo completa su función
➔ exit
 Solicitud de un recurso no disponible
➔ read (de un socket al cual no llegan datos aun)
 Abandono voluntario de la CPU
➔ pthread_yield o sched_yield
 Desalojo involuntario de la CPU
➔ ISR de la interrupción de reloj (PIT)
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22. PARTES DEL PLANIFICADOR
■ Encolador
 Ubica en la lista de listos un hilo que ha sido
desalojado del procesador.
■ Conmutador de contexto
 Almacena el contexto del hilo a ser desalojado
en el descriptor del hilo
■ Despachador o distribuidor
 Selecciona un hilo de la lista de listos para ser
ejecutado
 Restaura en el procesador el contexto
almacenado en el descriptor del hilo
seleccionado 22

23. CAMBIO DE CONTEXTO
■ Si el procesador no soporta conjuntos de
registros, hay cambios de contexto ...
 Cuando ocurre una interrupción
 Cuando el procesador conmuta de un proceso a
otro
■ Si el procesador soporta conjuntos de
registros, se asignan conjuntos diferentes a
modo 0 y 1, y hay cambios de contexto ...
 Cuando el procesador conmuta de un proceso a
otro
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24. CAMBIO DE CONTEXTO
■ Costo de cambio de contexto (sin cache)
 rg registros generales
 re registros de estado
 i operaciones de almacenamiento por registro
 t ciclos de reloj para almacenar en memoria
 (rg + re) i * c
■ Ejemplo
 (32 + 8) 1 * 100c = 4000c * 2 = 8000c
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25. CONCEPTOS DE PLANIFICACIÓN
■ Prioridad
 Orden segun el cual un hilo puede ser puesto en
ejecución estando en estado de listo
■ Franja de tiempo (cuanto de tiempo)
 Cantidad de tiempo entre interrupciones del
temporizador
■ Inaniciación
 Situación en la que un hilo puede no planificarse
debido a caracteristicas de la politica
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26. MODELO DE PLANIFICACIÓN
■ S(Hi)={ejecución, listo, bloqueado}
■ Tiempo de servicio: Ts(Hi)
 Tiempo transcurrido total de un hilo en estado
de ejecución
 Cantidad de tiempo que el hilo ha consumido de
la CPU para completar su tarea
■ Tiempo de espera: Te(Hi)
 Tiempo transcurrido entre la primera entrada al
estado listo hasta antes de estar por primera
vez en ejecución
 Tiempo que se demora un proceso en recibir su
primera unidad de servicio del procesador
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27. MODELO DE PLANIFICACIÓN
■ Tiempo de vuelta: Tv(Hi)
 Tiempo transcurrido entre la primera entrada al
estado listo hasta la salida definitiva del estado
ejecución
 Tiempo total en completar la ejecución del hilo
una vez esta listo para ejecutarse
■ Variables a optimizar
 En sistemas de procesamiento por lotes se debe
optimizar el tiempo medio de vuelta
 En sistemas de tiempo compartido se debe
optimizar el “tiempo de espera” medio,
interperpretado como el tiempo en estado listo.
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28. MECANISMOS Y POLITICAS
■ Politica de planificación
 Cuando es el momento de desalojar el hilo del
procesador
 Cual es el hilo elegible para ocupar el
procesador
■ Mecanismo de planificación
 Como se determina el momento de multiplexar
el procesador
➔ Entrega voluntaria (ceder) e involuntaria
(interrupción periodica) del procesador
 Como se desalojara y asignara un hilo del
procesador
➔ Detalles de la conmutación de contexto (SAVE_ALL) 28

29. MECANISMOS Y POLITICAS
■ Politicas
 No expropiativa
➔ Basado en la entrega voluntaria
 Expropiativa
➔ Basado en la entrega involuntaria
■ Mecanismos
 Entrega voluntaria de la CPU
➔ Instrucción ceder (sched_yield, pthread_yield)
 Entrega involuntaria de la CPU
➔ Interrupción periodica (Interrupción periodica)
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30. POLITICAS DE PLANIFICACIÓN
■ Criterios utilizados para identificar los hilos
a ser ejecutados
■ No expropiativas
 FCFS: First Come First Served (aka FIFO)
 SJB: Shortest Job Next
 Planificación por prioridades
 Planificación por tiempo limite
■ Expropiativas
 RR: Round Robin
 MFQ: Multilevel Freedback Queue
 SRT: Shortest Remaining Time 30

31. FCFS: FIRST COME FIRST SERVED
■ + prioridad = + viejo en la lista de listos
■ Implementación 1
➔ Encolador: Estampa tiempo de llegada
➔ Distribuidor: Selecciona hilo mas viejo
■ Implementación 2 (con estructura FIFO)
➔ Encolador: Ubica hilo en final de cola
➔ Distribuidor: Retira hilo de cabeza de la cola
■ Ventaja
 Facil de implementar
■ Desventaja
 No considera el Ts de un Hi 31

32. SJN: SHORTEST JOB NEXT
■ + prioridad = – tiempo de servicio
■ Ventajas
 Minimiza Te
■ Desventajas
 Hi con Ts grande y muchos Hj con Ts pequeños,
hay alta probabilidad de inanición de Hi
 ¿Como determinar el tiempo de servicio de
forma anticipada?
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33. PLANIFICACIÓN POR PRIORIDADES
■ + prioridad = asignada externamente
 Criterios arbitrarios
➔ Usuarios con mas privilegios
➔ Tareas mas criticas desde la perspectiva del usuario
■ Tipos de prioridad
 Estatica
➔ Solo se puede asignar al inicio del hilo
 Dinamica
➔ Puede cambiar durante la ejecución del hilo
➔ Combinada con SJN soluciona el problema de la
inanicion, si mas prioridad si mas tiempo sin servicio.
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34. PLANIFICACIÓN X TIEMPO LIMITE
■ Debe garantizarse Tv < Tl (tiempo limite)
■ El hilo no se acepta en el estado de listo si
el planificador no puede garantizar este
tiempo limite
■ Sistemas de hard real time
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35. EXPROPIATIVAS
■ Mas generales que las no expropiativas
 Politica no apropiativa = Politica apropiativa con
franja de tiempo igual al tiempo de servicio del
hilo actual
■ REVISAR ESTA TRANSPARENCIA
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36. ROUND ROBIN
■ Distribución equitativa de tiempo entre
todos los hilos que solicitan el procesador
■ Implementada generalmente con un cola
 Cuando un hilo es expropiado del procesador
este va al final de la cola
 Cuando un hilo es creado este va al final de la
cola
 Cuando un hilo debe ser seleccionado, se
selecciona el que se encuentra al inicio de la
cola
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37. PRIORIDAD EXT + ROUND ROBIN
■ La prioridad externa se evalua primero
como primer criterio de selección
■ Si la prioridad es la misma el criterio de
selección es la posición en la cola
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