Sistemas Operacionais: Processos

E aí, vamos iniciar com um videozinho?!

Veja o post completo, tem muito mais sobre processo.

Em sistema operacional é conveniente diferenciar um programa de sua execução. Assim, podemos dizer que:

Programa: é uma entidade estática e permanente composto por uma seqüência de instruções:

passivo sob o ponto de vista do sistema operacional.

Processo: é uma entidade dinâmica e efêmera, que altera seu estado a medida que avança sua execução. Assim, o processo é uma abstração que representa um programa em execução. 
Um processo é composto por: programa, dados, contexto (valores).

Ciclos de um processo

São várias as razões para que um processo seja criado e/ou destruído. O momento e a forma como isso acontece pode depender do sistema operacional considerado. Por exemplo:

Criação de Processos:

*  Momento da execução;

*  Chamadas de sistemas;

*  Podem ser associados a uma sessão de trabalho, exemplo: login + senha _ shell (processo).

Finalização de Processos:

*  Término da execução;

*  Chamadas de sistemas;

*  Por outros processos.

Os processos podem executar programas de usuários ou rotinas de sistema (daemons). Basicamente, os processos apresentam dois ciclos de operação:

1. Ciclo de processador: tempo que ocupa a CPU executando algum programa.

2. Ciclo de entrada e saída: tempo em espera pela conclusão de um evento (E/S).

O primeiro ciclo é sempre de processador, pois para entrar em um ciclo de E/S necessariamente é preciso executar pelo menos uma instrução. As trocas de ciclos podem acontecer através:

1. Chamada de sistema (CPU >> E/S)

2. Interrupção (CPU >> E/S ou E/S >> CPU)

3. Ocorrência de evento (E/S >> CPU)

Dessa forma, os processos podem ser classificados de acordo com taxa de utilização da CPU ou E/S

em:

1. Processos CPU bound:

Ciclo de processador >> ciclo de E/S

Exemplo: processo que faz multiplicação de matrizes.

2. Processos I/O bound:

Ciclo de E/S >> ciclo de processador

Exemplo: processo que faz cópia de arquivos ou um processo de Banco de Dados.

Relacionamento entre processos

Os  processos  podem,  ou  não,  apresentar  alguma  forma  de  relacionamento  ou  dependência  em relação  a  sua  criação  e  execução  no  sistema.  Por  isso,  os  processos  ativos  dentro  do  sistema computacional podem ser:

1. Independentes

*  Não apresentam relacionamentos com outros processos;

*  Não existe nenhum vínculo entre o processo que acabou de ser criado com seu criador;

*  A criação exige uma nova entrada na PCB.

2. Subprocessos

*  Criados em uma estrutura hierárquica;

*  O processo criador é chamado de pai e o novo de filho ou subprocesso;

*  Apresentam algum tipo de relacionamento: dependência do processo filho em relação ao pai;

*  Podem compartilhar recursos;

*  A criação do filho também exige uma nova entrada na PCB.

A representação da estrutura hierárquica acontece através de uma árvore, semelhante a estrutura de diretórios e representa a evolução dinâmica dos processos com o tempo.

Estados de um processo

Inicialmente, após ser criado o processo necessita entrar em ciclo de processador para começar a execução  das  instruções  que  compõem  o  programa.  No  entanto,  devemos  entender  que  vários processos são criados e todos irão disputar o uso da CPU. Neste caso, o que o SO deve fazer?

*  Criar uma fila com os processos aptos a disputar o uso do processador: Fila de Aptos

(ready queue).

*  Gerenciar  o escalonamento  através  de políticas  implementadas  pelo SO para que todos possam ser executados.

Modelo simplificado de Dois Estados

Este  diagrama de  estado  representa  o  modelo  inicial  para  ilustrar  os  possíveis  estados  que um processo pode alcançar, desde a sua criação até o seu término. Dois estados são destacados: apto e executando.  Apto representa  o processo  em memória aguardando  o escalonador  para entrar  em execução; e executando caracteriza a aplicação utilizando a CPU.

O escalonador de processos é um módulo do SO que deve realizar as seguintes funções básicas:

*  Atribui o processador a um processo da fila de aptos;

*  Prevenir que um único processo monopolize o processador.

Criação de Processos

Os processos podem ser criados através das seguintes ações:

*  Inicialização de um programa;

*  Logon de usuários;

*  Processo criado para execução de um determinado serviço do SO;

*  Chamadas de sistemas, como o fork no Linux.

Término de processos

Os processos podem ser finalizados pelas seguintes ações:

*  Final de execução (normal);

*  Situações “anormais”:  Exceder tempo limite de espera, Falta de memória, Erros de

proteção  (Ex.  escrita  em  arquivo  read-only,  acesso  a  áreas  de  memória  não autorizadas), Erros aritméticos (Ex. divisão por zero, overflow, underflow);

*  Erro em periféricos de E/S;

*  Execução de instruções inválidas (Ex. tentativa de executar área de dados, instruções privilegiadas);

*  Intervenção do sistema operacional;

*  Ex. ocorrência de blocagens (deadlocks);

*  Log off de usuários.

Modelo de 5 Estados

Este  modelo  cria  novos  estados  de  forma  a  representar  diferentes  momentos  de  execução  dos processos.

Estados do diagrama:

*  Executando (Running)

*  Apto (Ready)

*  Bloqueado (Blocked)

*  Criação (New)

*  Destruição (Exit)

Processos suspensos

1. Processador é mais rápido que operações de E/S:

Possibilidade de todos processos estarem bloqueados esperando por E/S

2. Liberar memória ocupada por estes processos:

Transferidos para o disco (swap)

3. Estado bloqueado assume duas situações: Bloqueado com processo em memória Bloqueado com processo no disco

4. Necessidade de novos estados:

Bloqueado, suspenso (Blocked, suspend) Apto, suspenso (Ready, suspend)

Razões para suspender um processo

Swapping

SO necessita liberar memória para executar um novo processo

Solicitação do usuário

Comportamento típico de depuradores

Temporização

Processo deve ter sua interrupção interrompida por um certo período de tempo

Processo suspende outro processo

Ex. Sincronização

Diagrama de Estados Ampliado

Neste  modelo,  novos  estados  foram  inseridos  para  representar  com  precisão  a  localização  dos processos durante seu ciclo de vida, diferenciando  memória e disco. Os estados com o atributo suspenso indica o processo em disco.

Suporte de hardware à multiprogramação

A implementação da multiprogramação explora características do hardware dos processadores.
 Mecanismos básicos:

*  Interrupção;

*  Dois modos de operação: modo protegido (supervisor) e modo usuário;

*  Proteção de periféricos, memória e processador.

Proteção entre processos

O  compartilhamento  de  recursos  comuns  implica  em  garantir  que  a execução  incorreta  de  um programa não influencie a execução de outro programa.

Mecanismos de proteção:

*  Modos de operação do processador;

*  Proteção de periféricos;

*  Proteção de memória.

Modos de operação do processador

Modo supervisor (protegido):

*  Possibilita a execução de todas as instruções do processador;

*  Modo de execução sistema operacional.

Modo usuário:

*  Certas instruções não podem ser executadas;

*  Modo de execução dos processos usuários.

Chaveamento:

*  Interrupção (modo usuário * modo protegido);

*  Instrução (modo protegido * modo usuário).

Proteção de periféricos

Como processos usuários realizam operações de E/S já que estas são instruções privilegiadas? Ou ainda, como os processos solicitam serviços para o SO?

Resposta: Através de Chamadas de sistema

*  Normalmente baseada em interrupções de software;

*  Aciona a rotina de tratamento de interrupção:

1.   Identifica serviço requisitado

2.   Verifica validade dos parâmetros

3.   Executa o serviço

4.   Retorna ao processo do usuário

Exercicios

1.   Defina o conceito de processo e explique quais partes o compõe.

2.   Como uma aplicação pode implementar concorrência em um ambiente monothread?

3.   Como o SO implementa o conceito de processo? Quais as estruturas de dados indicada para organizar os diversos processos na memória principal?

4.   Explique as diferenças entre processos foreground, background, cpu-bound e i/o-bound. Dê exemplos de cada um.

5.   Por que não faz sentido manter a lista de processos bloqueados em ordem de prioridade?

6.   Comente sobre as funções do escalonador e do dispatcher.

7.   Apresente situações reais presentes na execução dos processos que justifiquem cada uma das transições apresentadas no diagrama de estados mais completo dos processos.

Fonte: http://sites.google.com/site/jmlaine/so - https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxqbWxhaW5lfGd4Ojg3Mjg0NDQ1MDg3NzYwMA