PDF de programación - Sistemas operativos

AUTORES

Gunnar Wolf
Esteban Ruiz

Federico Bergero
Erwin Meza Vega

Sistemas Operativos

1a ed. - Iniciativa Latinoamericana de Libros de Texto Abiertos (LATIn), 2014. 248 pag.

Primera Edición: Marzo 2014
Iniciativa Latinoamericana de Libros de Texto Abiertos (LATIn)
http://www.proyectolatin.org/

Los textos de este libro se distribuyen bajo una licencia Reconocimiento-CompartirIgual
3.0 Unported (CC BY-SA 3.0) http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.
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El Proyecto LATIn está conformado por: Escuela Superior Politécnica del Litoral, Ecua-
dor (ESPOL); Universidad Autónoma de Aguascalientes, México (UAA), Universidad
Católica de San Pablo, Perú (UCSP); Universidade Presbiteriana Mackenzie, Brasil(UPM);
Universidad de la República, Uruguay (UdelaR); Universidad Nacional de Rosario, Ar-
gentina(UR); Universidad Central de Venezuela, Venezuela (UCV), Universidad Austral
de Chile, Chile (UACH), Universidad del Cauca, Colombia (UNICAUCA), Katholieke
Universiteit Leuven, Bélgica (KUL), Universidad de Alcalá, España (UAH), Université
Paul Sabatier, Francia (UPS).

Índice general

1

1.1

2
2.1
2.1.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.5
2.6

3
3.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.6.1
3.6.2

Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
9
Acerca del libro

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
¿Qué es un sistema operativo?
15
¿Por qué estudiar los sistemas operativos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Funciones y objetivos de los sistemas operativos
16
Evolución de los sistemas operativos
16
Proceso por lotes (batch processing) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Sistemas en lotes con dispositivos de carga (spool) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Sistemas multiprogramados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Sistemas de tiempo compartido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Y del lado de las computadoras personales
18
Primeros sistemas para entusiastas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
La revolución de los 8 bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
La computadora para fines “serios”: La familia PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
El impacto del entorno gráfico (WIMP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Convergencia de los dos grandes mercados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
22
Organización de los sistemas operativos
24
Otros recursos

Relación con el hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
25
Introducción
Unidad de Procesamiento
25
Jerarquía de almacenamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Interrupciones y excepciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Terminales
29
30
Dispositivos de almacenamiento
Relojes y temporizadores
30
Canales y puentes
31
Contención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Acceso directo a memoria (DMA)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.7
33
Interfaz del Sistema Operativo: llamadas al sistema
3.7.1
Llamadas al sistema, arquitecturas y APIs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.8
Abstracciones comunes
35
3.8.1
Sistemas tipo Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.8.2
Sistemas tipo Unix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.9
36
Cuando dos cabezas piensan mejor que una
3.9.1 Multiprocesamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.9.2
Cómputo distribuído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Amdahl y Gustafson: ¿qué esperar del paralelismo? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.9.3
3.10 Otros recursos
42

4
Administración de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1
Concepto y estados de un proceso
45
4.1.1
Estados de un proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.2
Información asociada a un proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2
Procesos e hilos
46
4.2.1
Los hilos y el sistema operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.2
Patrones de trabajo con hilos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3
Concurrencia
49
4.3.1
Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2
Problema: el jardín ornamental
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.3 Mecanismos de sincronización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Problema productor-consumidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.4
4.3.5
Bloqueos mutuos e inanición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Problema lectores-escritores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.6
La cena de los filósofos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.7
4.3.8
Los fumadores compulsivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3.9 Otros mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Bloqueos mutuos
4.4
76
Prevención de bloqueos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4.1
4.4.2
Evasión de bloqueos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Detección y recuperación de bloqueos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.3
Algoritmo del avestruz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.4
4.5
Otros recursos
88

Algoritmos de planificación

5
Planificación de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1
Tipos de planificación
89
5.1.1
Tipos de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.1.2 Midiendo la respuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2
93
5.2.1 Objetivos de la planificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Primero llegado, primero servido (FCFS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.2
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Ronda (Round Robin)
5.2.3
El proceso más corto a continuación (SPN)
5.2.4
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.5
Ronda egoísta (SRR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Retroalimentación multinivel (FB)
5.2.6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.7
Lotería . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.2.8
5.2.9
5.3
5.3.1
5.4
5.4.1
5.4.2
5.4.3
5.4.4
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.6

Esquemas híbridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Resumiendo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Planificación de hilos
106
Los hilos POSIX (pthreads) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Planificación de multiprocesadores
108
Afinidad a procesador
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Balanceo de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Colas de procesos: ¿Una o varias? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .