PDF de programación - Administración de procesos: Procesos e hilos

Concepto y estados de un proceso
El proceso
Hilos
Los hilos para el sistema operativo
Concurrencia

Administración de procesos: Procesos e hilos

Gunnar Wolf

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Concepto y estados de un proceso
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Índice

1 Concepto y estados de un proceso

2 El proceso

3 Hilos

4 Los hilos para el sistema operativo

5 Concurrencia

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Concepto y estados de un proceso
El proceso
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¿Cuándo es proceso? ¿Cuando es programa?

Programa Una lista de instrucciones a seguir, una entidad pasiva

Proceso Entidad activa que:

Emplea al programa
Típicamente opera sobre un conjunto de datos
Tiene información de estado que indica, entre
otras cosas, en qué punto va la ejecución.

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¿Cuando es proceso? ¿Cuándo es tarea?

Tarea Equivalente a un proceso en un sistema por lotes;

requiere típicamente menos metainformación.

La distinción proceso-tarea no es del todo clara u objetiva.

Hay textos que emplean uno u otro término indistintamente

Nosotros emplearemos siempre el término proceso.

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La ilusión de la concurrencia

Un sistema actual nos da la ilusión de ejecución simultánea de
muchos procesos
La realidad: Casi todos están suspendidos, esperando que los
active el planificador
En un momento dado sólo puede estarse ejecutando un
número de procesos igual o menor al número de CPUs que
tenga el sistema.
Esa ilusión tiene grandes costos. . . Especialmente pensando
con suficiente velocidad

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1 Concepto y estados de un proceso

2 El proceso

3 Hilos

4 Los hilos para el sistema operativo

5 Concurrencia

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Estados de un proceso

Un proceso, a lo largo de su vida, alterna entre diferentes estados
de ejecución. Estos son:

Nuevo Se solicitó al sistema la creación de un proceso, y sus

recursos y estructuras están siendo creadas

Listo Está listo para ser asignado para su ejecución

En ejecución El proceso está siendo ejecutado

Bloqueado En espera de algún evento para poder continuar

ejecutándose

Terminado El proceso terminó de ejecutarse; sus estructuras
están a la espera de ser limpiadas por el sistema

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Estados de un proceso

Figura: Diagrama de transición entre los estados de un proceso

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El bloque de control del proceso (PCB) (1)

¿Qué información debe mantener el sistema acerca de cada

proceso?

O, ¿Cuánto cuesta un cambio de contexto?

Estado del proceso El estado actual del proceso
Contador de programa Cuál es la siguiente instrucción a ser

ejecutada

Registros del CPU Información específica del estado del CPU
Información de planificación (scheduling) La prioridad del proceso,

la cola en que está agendado, y demás información
que puede ayudar al sistema operativo a agendar al
proceso

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El bloque de control del proceso (PCB) (2)

Información de administración de memoria Las tablas de mapeo de

memoria (páginas o segmentos, dependiendo del
sistema operativo).

Estado de E/S Listado de dispositivos y archivos asignados que el

proceso tiene abiertos en un momento dado.

Información de contabilidad Información de la utilización de

recursos que ha tenido este proceso
Tiempo de usuario y de sistema
Uso acumulado de memoria y dispositivos
etc.

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1 Concepto y estados de un proceso

2 El proceso

3 Hilos

4 Los hilos para el sistema operativo

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El problema con los hilos

Aunque los hilos parecen ser un pequeño paso partiendo
del cómputo secuencial, de hecho, son un paso inmenso.
Descartan las propiedades más esenciales y atractivas del
cómputo secuencial: Facilidad de comprensión,
predictabilidad y determinismo. Los hilos, como un
modelo de computación, son salvajemente
no-determinísticos, y el trabajo del programador se
convierte en podar ese no-determinismo.
— El problema con los hilos, Edward A. Lee, UC
Berkeley, 2006

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El peso de los procesos

La cantidad de información implicada en un cambio de
contexto es muy grande
Desperdicio burocrático de recursos
Una respuesta: procesos ligeros (Lightweight processes, LWP)

Diversos hilos de ejecución dentro de un mismo proceso

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Extrapolando

Un proceso que no usa hilos es un sólo hilo
Un sistema operativo que no ofrece soporte para hilos
agendaría a nuestro proceso como a cualquier otro

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La diferencia desde dentro

Entre diferentes procesos, cada uno tiene ilusión de
exclusividad virtual sobre la computadora

Espacio de direccionamiento de memoria exclusivo
Descriptores de archivos y dispositivos independientes

Los hilos son y deben ser conscientes de su coexistencia

Comparten memoria, descriptores de archivos y dispositivos
Pueden tener variables locales y globales

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¿Qué tanto se aligera el PCB?

Estado del proceso
Cada hilo se ejecuta de forma aparentemente secuencial

Tiene su propio contador de programa
Y su propia pila de llamadas (stack)

Conjunto de variables locales

Puede ser implementado de forma muy sencilla
p.ej. con arreglos indexados por ID de hilo

Información de planeación interna
Pueden llevar información de contabilidad
No requerimos:

Registros del CPU
Estado de E/S

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Patrones de trabajo: Jefe / trabajador

Un hilo tiene una tarea distinta de todos los demás
El hilo jefe genera o recopila tareas
Los hilos trabajadores efectúan el trabajo.
Modelo común para procesos servidor, GUIs que procesan
eventos
El jefe puede llevar la contabilidad de los trabajos realizados

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Patrones de trabajo: Jefe / trabajador

Figura: Patrón de hilos jefe/trabajador

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Patrones de trabajo: Equipo de trabajo

A partir de hilos idénticos
Realizarán las mismas tareas sobre diferentes datos
Muy frecuentemente utilizado para cálculos matemáticos (p.ej.
criptografía, render).
Puede combinarse con jefe/trabajador para generar
previsualizaciones (la tarea se realiza progresivamente)

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Patrones de trabajo: Equipo de trabajo

Figura: Patrón de hilos Equipo de trabajo

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Patrones de trabajo: Línea de ensamblado

Una tarea larga que puede dividirse en pasos
Cada hilo se enfoca en una sóla tarea
Pasa los datos a otro hilo conforme va terminando
Ayuda a mantener las rutinas simples de comprender
Permite continuar procesando datos cuando hay hilos
esperando E/S

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Patrones de trabajo: Línea de ensamblado

Figura: Patrón de hilos Línea de ensamblado

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Hilos de usuario (o hilos verdes)

Los hilos pueden implementarse 100 % con las facilidades del
proceso

Caso extremo: Programas multihilos en sistemas operativos
mínimos (o directo sobre el hardware)

Mayor portabili