Arquitetura de Computadores: Processos e Threads

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ANDREW S. TANENBAUM, Sistemas operacionais modernos - Terceira edição.

PROCESSOS
Entidade dinâmica que consiste num programa em execução, os seus valores correntes,
informação de estado e recursos utilizados pelo sistema operativo.
Formação:
Um processo constitui uma atividade. Ele possui programa, entrada, saída e um estado.
Um único processador pode ser compartilhado entre os vários processos, com algum
algoritmo de escalonamento usado para determinar quando parar o trabalho sobre um
processo e servir um outro;
Definição:

PROCESSOS
O escalonamento de processos ou agendador de tarefas (scheduling) é uma atividade
organizacional feita pelo escalonador (scheduler) da CPU ou de um sistema distribuído,
possibilitando executar os processos mais viáveis e concorrentes, priorizando determinados
tipos de processos.
Escalonamento :

PROCESSOS
Em qualquer sistema multiprogramado, a CPU reveza de programa para programa,
executando cada um deles por dezenas ou centenas de milissegundos;

PROCESSOS
(a) Multiprogramação de quatro programas.
(b) Modelo conceitual de 4 processos sequenciais, independentes.
(c) Somente um programa está ativo a cada momento.
Modelo de Processo:

PROCESSOS
Há quatro eventos principais que fazem com que processos sejam criados:
1. Inicio do sistema.
2. Execução de uma chamada ao sistema de criação de processo por um processo em
execução.
3. Uma requisição do usuário para criar um novo processo.
4. Inicio de um Job em lote.
Tecnicamente, em todos estes casos, um novo processo e criado por um processo existente
executando uma chamada ao sistema de criação de processo.
Criação de Processos

PROCESSOS
Também conhecidos por .bat.
É um arquivo de computador utilizado para automatizar tarefas.
É regularmente confundido com o modo de processamento de dados no qual são
processados em grupos, ou lotes, por meio de uma rotina agendada.
O batch neste caso, nada mais é um conjunto de comandos rodados sequencialmente.
Podemos compará-lo, grosso modo, aos scripts do Unix.
Batch ou arquivo de lote

PROCESSOS
Depois de criado, um processo começa a executar e faz o seu trabalho. Mais cedo ou mais
tarde o processo terminará, normalmente por uma das seguintes razoes:
› Saída normal (voluntária) – Na maioria das vezes os processos terminam porque fizeram
o seu trabalho. Outra saída normal e por exemplo quando o utilizador sai do programa
como deve ser.
› Saída por erro (voluntária) – Quando o processo descobre um erro fatal. O processo
emite uma chamada de saída ao sistema.
Término de Processos

PROCESSOS
› Erro fatal (involuntário) – Quando o erro e causado pelo processo, muitas vezes um erro
de programa. Exemplos: quando encontra uma divisão por zero, instrução ilegal, etc.
› Cancelamento por um outro processo (involuntário) – Quando um processo executa
uma chamada ao sistema dizendo para cancelar algum outro processo. Em linux: kill.
Término de Processos

PROCESSOS
Pai cria um processo filho, processo filho pode criar seu próprio processo;
• UNIX chama isso de “grupo de processos”.
• Windows não possui o conceito de hierarquia de processos;
 Todos os processos são criados iguais.
Hierarquias de Processos

PROCESSOS
Estados de processos

1
PROCESSOS
Quando um processo descobre que não pode prosseguir passa
para o estado de bloqueado.
Transições entre os estados
Execução -› Bloqueado

1
PROCESSOS
Exemplo:
cat teste | grep tree
O processo do grep tem de esperar pela saída do processo cat.
Se o processo grep tem tempo de CPU e o processo cat ainda
não terminou então o grep passa para o estado de bloqueado.
Execução -› Bloqueado

2
PROCESSOS
Transições causadas pelo escalonador de processos,
gerenciamento de tempo de CPU, Execução -> Pronto ocorre
quando o escalonador de processos decide que o processo em
execução já teve o seu tempo de CPU, e Pronto -> Execução
ocorre quando já todos os processos estiveram em execução
volta novamente para o mesmo.
Execução -› Pronto e
Pronto -› Execução

3
PROCESSOS
Ocorre quando o processo que estava no estado bloqueado tem
disponível aquilo que estava à espera. Se o CPU estiver livre esse
processo passa logo para o estado de Execução, senão fica a
aguardar até chegar a sua vez.
Bloqueado -› Pronto

PROCESSOS

PROCESSOS
O que causa uma transição?
• Pronto -> executando
– Algoritmo de escalonamento
• Executando -> pronto
– Interrupção de tempo
– Interrupção devida ao escalonador
– Decisão espontânea (yield)
• Executando -> bloqueado
– E/S – sincronização

PROCESSOS
O que causa uma transição?
• Bloqueado -› pronto
-› Interrupção
• Executando -› encerrado
-› Interrupção (Ctrl-C)
-› Término normal
• Bloqueado, pronto -› encerrado
-› Interrupção (Ctrl-C, kill)

PROCESSOS
Mais um estado: suspenso
• Dois problemas principais para gerar os recursos:
-› A CPU é muito mais rápida do que a memória;
-› A memória é de tamanho finito.
• Precisa-se, então, poupar a memória.
• Por isso:
-› Processos bloqueados que estão na memória podem ser transferidos para o disco
(swap) até sua E/S ser acabada.
-› Processos prontos podem também ser descarregados para o disco.

PROCESSOS
CPU - bound (ligado à CPU)
Maior parte do tempo em estado de execução, ou seja, usando o processador .
I/O bound x CPU bound
I/O - bound (ligado à E/S)
Maior parte do tempo em estado de bloqueado . Fazendo operações de E/S .

PROCESSOS
Um processo pode iniciar CPU-bound e tornar-se I/O-bound (e vice-versa) .
Melhor eficiente é o revezamento entre os dois.
I/O bound x CPU bound

Gerenciamento de processos
SO organiza os processos da fila de prontos
Periodicamente o ESCALONADOR de processos:
› Escolhe um processo da fila para executar
› Critério de escolha pode variar
Alguns critérios usados para escalonamento
› Ordem de chegada dos processos
› Fatia de tempo demandada pelo processo
› Prioridade do processo

Outros nomes para ESCALONADOR/ESCALONAMENTO:
› Despachante/despacho
› Dispatcher/dispatch
Quando um processo solicita uma operação de E/S
› Ele é interrompido e desviado para a fila de bloqueado.
› Posteriormente, ele retornará para o fim da fila de pronto.
› Então, será submetido ao critério de escalonamento da fila.

Capacidade do SO de interromper um processo a qualquer instante (a seu critério) e
retomar a execução a partir do ponto de interrupção.
Preempção

Bloco de controle do processo (PCB)
Ao criar um processo, o SO cria um BCP (PCB).
› É uma tabela com informações relativas ao processo.
› Reside na RAM enquanto o processo existe.
› Acesso exclusivo do SO.

Bloco de controle do processo (PCB)
Bloco de Controle do Processo (ou Descritor do Processo).

Escalonamento
Em sistemas multiprograma (multi-tarefa), a cada instante um ou mais processos podem estar
no estado pronto.
– Processos do sistema e de usuários
– Processos de vários usuários (sistema time-sharing)
– Mix de processos interativos e batch (simulação, folha de pagamento).
Basicamente, time-sharing consiste em alternar entre diferentes processos de forma que o usuário tenha a
percepção que todos os processos estão sendo executados simultaneamente, permitindo a interação com
múltiplos processos em execução.

Escalonamento
Escalonador é responsável por gerenciar a fila de prontos, e escolher qual dos processos
prontos vai ser o próximo a usar CPU (de acordo com as prioridades dos processos)
Também é responsável por ajustar (aumentar/diminuir) a prioridade dos processos

Escalonamento
Não existe um algoritmo ideal, cada algoritmo persegue um objetivo. Por exemplo:
– Garantir justiça (fairness): cada processo ganha fatia igual da CPU.
– Aumentar eficiência: manter utilização de CPU alta (próxima a 100%).
– Minimizar tempo de resposta (para processos interativos).
– Minimizar de tempo médio de permanência no sistema (Δt entre início-fim de processos batch).
– Maximizar vazão: maior número possível de processos processados por unidade de tempo.
Sempre que beneficia uma classe de processos, prejudica-se outras classes.

Escalonamento
1. Escalonamento de longo prazo
Ao ser criado, processo recebe uma prioridade (vai para uma fila dos prontos)
2. escalonamento de curto prazo (“dispatching”)
Escolhe um dos processos da/s lista/s de prontos para executar
• Geralmente, o escalonamento de curto prazo dá um quantum de tempo (Δt) de CPU para
cada processo.

Escalonamento
Têm parâmetros que precisam ser ajustados para maximizar a “satisfação média” de todos os
usuários e garantir execução eficiente das tarefas essenciais ao sistema (processos do
sistema) .
Principal problema: o
comportamento futuro de
um processo não é
previsível (quando fará
uso intensivo da CPU, e
quando fará E/S
frequente)

Escalonamento de Curto Prazo
Ações e eventos que fazem um processo entrar na fila dos prontos.

Tipos de Escalonamento
Com relação ao momento da invocação do escalonador:
Preemptivo: a cada clock tick escalonador verifica se processo corrente já expirou seu
quantum de tempo, e se sim, interrompe-o, e escolhendo outro processo para executar
Não-preemptivo: escalonador só é chamado quando processo é bloqueado (chamada
de sistema), ou termina.
Com relação ao método de seleção do processo mais prioritário:
Uso da função P = Priority(p)
Regra de desempate (para processos de mesma prioridade)
• Escolha randômica
• Cronológica (FIFO)
• Cíclica (Round Robin)

Possíveis Parâmetros da Função Prioridade
• Internos (do sistema)
– Tipo do processo (sistema vs usuário).
– Quantidade de memória usada.
– Tempo total de CPU requisitado.
– Tempo de serviço obtido / alcançado.
– Tempo total de permanência no sistema.
• Externos
– Prazo para término de ação (Deadline).
– Prioridade do usuário: root vs normal.

First In First Out (FIFO)
Execução por ordem de chegada (não Preemptivo)
Tempo médio de espera? Bom?

Shortest Job First (SJF)
Escalonamento não Preemptivo para processamento em lote
Tempo médio de espera: ? Bom?

Escolha Circular - Round Robin
• Processos prontos ficam em uma fila de prontos
• Cada processo recebe um quantum de tempo de CPU. Após esgotar o tempo, é
interrompido e posto no final da fila.
• Objetivo: justiça no atendimento de muitos processos centrados em E/S

Escolha Circular - Round Robin
Sejam processos na fila com seus tempos de rajada:
• P1: 20
• P2: 12
• P3: 8
• P4: 16
• P5: 4
O Diagrama de Gannt e
tempo médio de espera

Escalonamento com múltiplas filas (ML)
• Para sistemas com mix de processos interativos e em lote
• Processos são classificados segundo prioridade, e cada classe tem sua própria fila de
prontos.
• Seleciona todos de prioridade 1; a seguir, todos de prioriade 2, etc.…
• Para evitar o problema de inanição (= alguns processos nunca ganham a vez), pode-se
definir períodos de tempo máximos para cada categoria: por exemplo, 70% para 1, 20% para
2 …

Comparação
Sistemas em lote
– FIFO, SJF, SRT
– FIFO é o mais simples
– SJF/SRT possuem tempos médios de turnaround (#processos/tempo) menores
Sistemas time-sharing
– Tempo de resposta é crítico
– RR puro ou MLF (c/ RR por nível) são apropriados
– A escolha do quantum de tempo q determina o overhead
• Quando q → ∞, RR se aproxima de FIFO
• Quando q → 0, overhead de troca de contexto (TC) → 100%
• Quando q >> overhead de TC, n processos executam desempenho ≈1/n CPU
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Threads
Conceito
A necessidade de se fazer várias coisas simultaneamente aparece frequentemente
na computação. Para vários programas distintos, normalmente o próprio sistema
operacional gerencia isso através de vários processos em paralelo.
Em um programa só (um processo só), se queremos executar coisas em paralelo,
normalmente falamos de Threads.

Threads
Conceitos
É uma forma de um processo dividir a si mesmo em duas ou mais tarefas que podem ser
executadas concorrencialmente.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Thread
Um pequeno programa que trabalha como um sub-sistema independente de um programa
maior, executando alguma tarefa específica.
http://www.hardware.com.br/termos/thread
Linha de execução independente dentro de um mesmo processo.
http://www-di.inf.puc-rio.br/
"Duas tarefas ao mesmo tempo“
http://www.caelum.com.br/

Threads
Os sistemas que suportam uma única thread (em real execução) são chamados de
monothread enquanto que os sistemas que suportam múltiplas threads são
chamados de multithread.

Threads

Threads
Vantagem
Um programa dividido em vários threads pode rodar mais rápido que um programa
monolítico, pois várias tarefas podem ser executadas simultaneamente.
Os vários threads de um programa podem trocar dados entre si e compartilhar o mesmo
espaço de memória e os mesmos recursos do sistema.

Threads
Exemplo 1
Um exemplo simples seria um jogo, que pode ser modelado com linhas de
execução diferentes, sendo uma para desenho de imagem e outra para áudio.
Neste caso, há um thread para tratar rotinas de desenho e outro thread para tratar
áudio; No ponto de vista do usuário, a imagem é desenhada ao mesmo tempo em
que o áudio é emitido pelos alto-falantes; Porém, para sistemas com uma única
CPU, cada linha de execução é processada por vez.

Threads
Exemplo 2
Imagine um programa que gera um relatório muito grande em PDF. É um processo
demorado e, para dar alguma satisfação para o usuário, queremos mostrar uma
barra de progresso. Queremos então gerar o PDF e ao mesmo tempo atualizar a
barrinha.

Threads
Como funciona no Windows
O Windows têm mais facilidade para gerenciar programas com apenas um processo e vários
threads, do que com vários processos e poucos threads, pois Windows o tempo para criar um
processo e alternar entre eles é muito grande.

Threads
Como funciona no Linux
O Linux e outros sistemas baseados no Unix por sua vez é capaz de criar novos processos
muito rápido, o que explica o fato de alguns aplicativos, como por exemplo o Apache,
rodarem muito mais rápido no Linux do que no Windows, ao serem portados para ele.

Threads
Processos com um ou mais threads

Threads
Principais Características
1. Cada thread tem a sua pilha própria, mas compartilha o mesmo espaço de
endereçamento do processo em que foi criada;
2. Se duas threads executam o mesmo procedimento/método, cada uma terá a
sua própria cópia das variáveis locais;

Threads
Principais Características
3. As threads podem acessar todas os dados globais do programa, e o heap
(memória alocada dinamicamente);

Threads
Exemplo de uso de threads
Um processador de texto com três threads.

Threads
Um servidor web com múltiplas threads.

Threads
Cada thread executa um procedimento que consome um request R, processa-o e gera uma resposta.

Threads
ULT e KLT
Usualmente as threads são divididas em duas categorias: thread ao nível do
utilizador (em inglês: User-Level Thread (ULT)), e thread ao nível do núcleo (em
inglês: Kernel-Level Thread (KLT)).

Threads
Thread de usuário
São suportadas pela aplicação, sem conhecimento do núcleo e geralmente são
implementadas por pacotes de rotinas (códigos para criar, terminar,
escalonamento e armazenar contexto) fornecidas por uma determinada biblioteca
de uma linguagem, como é o caso da thread.h (biblioteca padrão da linguagem C).

Threads
Thread de kernel
A gestão da thread (KLT) não é realizada através do código do próprio programa;
todo o processo é subsidiado pelo SO.

Threads
Thread de Usuário x Thread de kernel

Modelo de Geração de Multithreads
Modelo Muitos-Para-Um
O modelo muitos-para-um mapeia muitos threads de nível de usuário para threads
do kernel.

Modelo Um-Para-Um
O modelo um-para-um mapeia cada thread de usuário para um thread de kernel, gera
mais concorrência do que o modelo muitos-para-um.

Modelo Muitos-Para-Muitos
O modelo muitos-para-muitos multiplexa muitos threads de nível de usuário para um
número menor ou igual de threads de kernel.

Threads
Cancelamento
O cancelamento de threads corresponde à tarefa de terminar um thread antes que
se complete.

Threads
Cancelamento
Por exemplo:
Se múltiplos threads estão pesquisando concorrentemente em um banco de dados
e um thread retorna o resultado, os threads que ainda estão sendo executados
podem ser cancelados.

Threads
Cancelamento
Por exemplo:
Uma outra situação pode ocorrer quando um usuário pressionar um botão em um
navegador da Web. Com frequência, uma página da Web é carregada em um
thread separado. Quando um usuário pressionar o botão stop, o thread que estava
carregando a página é cancelado.
Um thread que está para ser cancelado é frequentemente denominado thread-
alvo.

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