Tema3 procesos

Sistemas Operativos I
Tema 3
Procesos
Equipo de Sistemas Operativos DISCA / DSIC
UPV

2Sistemas Operativos I (00-01) Tema 3: Procesos
Tema 3: Procesos
? Introducción
Existen varias razones para permitir la ejecución concurrente de procesos:
? Compartir recursos físicos
? Compartir recursos lógicos
? Acelerar los cálculos
? Modularidad
? Comodidad
? Objetivos del tema:
? Profundizar en el concepto de proceso
? Dar a conocer la implementación del modelo de procesos
? Estudiar las diferentes políticas de planificación del procesador

Tema 3: Procesos
? Índice
1.- Concepto de proceso.
2.- Implementación de procesos.
3.- Hilos de ejecución (threads).
4.- Conceptos de planificación.
5.- Criterios de planificación.
6.- Algoritmos de planificación.
7.- Evaluación de algoritmos.
8.- S.O. dirigido por eventos.
? Bibliografía
? A. Silberschatz, P. Galvin.
Sistemas Operativos. 5ª ed.
?Tema 4
? W. Stallings.
Sistemas Operativos 2ª ed.
?Tema 3.

Tema 3: Procesos
? Índice
7.- Evaluación de Algoritmos.

1.- Concepto de proceso
? Concepto de proceso:
Existen diferentes visiones complementarias del concepto de proceso:
? Programa en ejecución.
? Unidad de asignación de recursos.
? Proceso como procesador virtual.

? Proceso como programa en ejecución:
? Programa: Lista de instrucciones. Ente pasivo.
? Proceso: Programa en ejecución. Ente activo. Pasa por una serie de
estados
? Un programa reside normalmente en un fichero que se encuentra
físicamente en el disco y es cargado en memoria cuando se crea el
proceso para ejecutarlo.
? Puede haber dos o más procesos asociados a la ejecución de un mismo
programa. Es habitual que un proceso genere más procesos durante su
ejecución.

? Proceso como procesador virtual:
? Proceso: cada una de las actividades paralelas que se ejecutan en la
máquina. Da la apariencia de que todas ellas se ejecutan sobre
procesadores diferentes en paralelo.
? Ejemplos:
?Procesos de usuario: Un proceso de edición de un sistema de tiempo
compartido. Un trabajo en un sistema por lotes. La compilación de un
programa fuente en Pascal: el programa que ejecuta el proceso es el
propio compilador.
?Procesos del sistema: “swapper” (que decide qué procesos hay que
extraer de la memoria o introducir en ella cuando la cantidad de
memoria libre no llega o supera ciertos límites), “pagedeamon” (es el
encargado de utilizar reemplazo para liberar marcos y pasarlos a la
reserva).

? Proceso como procesador virtual:
? El sistema operativo simula la existencia de N procesadores virtuales
(procesos) a partir de una CPU o procesador físico.
?Cada procesador virtual ejecuta secuencialmente un único
programa.
?Todos los procesos se ejecutan concurrentemente

? Ejecución secuencial y ejecución concurrente.
? Ejecución secuencial: La ejecución de un proceso se dice que es
secuencial porque sus operaciones son ejecutadas por la CPU una tras
otra, en el orden que dicte el programa.
? Ejecución concurrente: La ejecución de dos procesos se dice que es
concurrente porque estos se pueden ejecutar en paralelo.
?Concurrencia real: Si cada proceso se ejecuta sobre una CPU.
?Concurrencia virtual: La CPU reparte su tiempo entre los
procesos para simular su ejecución paralela.

? Proceso como unidad de asignación de recursos:
? Para ejecutar un programa se necesita un entorno formado por una serie
de recursos: memoria, descriptores de ficheros y otros atributos del
proceso.
? Un proceso se puede considerar como la unidad de propiedad de todos
esos recursos.
Memoria
Tiempo
de CPU
Tabla de
descriptores
ficheros
Otros
atributos
P1

? Estados de un proceso
Al ejecutar un proceso éste va cambiando de estado. El estado de un proceso
se define como el comportamiento que presenta en un instante dado:
? Activo: El proceso se puede ejecutar. No hay impedimentos en asignarle
alguna CPU.
?Ejecución: El proceso tiene asignada una CPU, las instrucciones se
están ejecutando.
?Preparado: El proceso puede ser ejecutado pero está esperando que
se le asigne una CPU libre. Puede haber varios procesos en este
estado.
? Suspendido: No puede ser ejecutado porque el proceso se encuentra
esperando un evento como:
?la finalización de una operación de E/S (una lectura de teclado)
?la comunicación con otro proceso, etc.

? Estados de un proceso:
NUEVO
PREPARADO
TERMINADO
EN
EJECUCIÓN
SUSPENDIDO
Admitido
Esperar E/S
o evento
Terminación
Expulsión
Elegido Planificador
Fin E/S
o
llegada evento
ACTIVO
Proceso terminado
por otro proceso
Proceso terminado
por otro proceso

? Operaciones sobre procesos (1)
? Creación: Supone asignar todos los recursos que el proceso necesita para
su ejecución, como p.e. memoria.
?Ejemplo en UNIX: fork(). La utiliza el proceso init para crear un proceso
que gestione cada terminal y el shell cada vez que recibe una nueva
orden del usuario (si ésta es externa).
? Terminación: Supone liberar los recursos previamente asignados al
proceso. Esta terminación puede ser:
?Terminación normal: El proceso invoca su propia terminación.
Ejemplo en UNIX: exit()
?Terminación anormal: El proceso termina por iniciativa del sistema
operativo al detectar alguna condición de error (violación de límites,
errores aritméticos) o por iniciativa de algún otro proceso.
Ejemplo en UNIX: kill() y señales.

? Operaciones sobre procesos (2):
? Suspensión: Supone pasar un proceso al estado suspendido para que
espere un evento o E/S.
?Ejemplo en UNIX: read() sobre un tubo vacío.
? Activación: Pasar un proceso al estado activo cuando se produce el
evento que esperaba.
?Ejemplo en UNIX: un proceso efectúa un write() sobre un tubo en el
que había un lector esperando. El lector se reactiva.

inicial
parado
En ejec.
(usuario)
En ejec.
(núcleo)
preparado
suspendido
zombie
Empieza
fork()
Acaba
fork()
Cambios
de
contexto
SIGSTOPSIGCONT
Espera evento
Ocurre evento
exit()
wait()
Interrupción o
llamada al sistema
Fin de
interrup. o
llamada al sist.
ESTADOS
ACTIVOS
? Estados de un proceso en UNIX

Tema 3: Procesos
? Índice

2.- Implementación de procesos
Para implementar procesos es conveniente pensar en un proceso como un procesador
virtual que ejecuta un programa y que se implementa a partir de un procesador físico.
? La implementación de procesos requiere:
? Bloque de control de un proceso PCB (Process Control Block): es una
estructura de datos para administrar el proceso. Almacena información de un
proceso.
? Asignar los recursos necesarios para su ejecución, fundamentalmente la
memoria para almacenar el código, los datos y la pila.
? Multiplexar la CPU entre los procesos: repartir el tiempo de la CPU entre los
diferentes procesos para simular la ejecución paralela (concurrencia virtual).
? Bloque de control del sistema: es una estructura de datos que el sistema utiliza
para controlar la ejecución de los procesos. Almacena información de todos los
procesos.

? Bloque de Control de proceso (PCB):
Es una estructura de datos donde se almacenan los atributos de un proceso, es decir,
la información asociada a un proceso. En un sistema de multiprogramación se
requiere un gran cantidad de información de cada proceso para su administración.
Esta información puede agruparse en tres categorías:
? Identificación de Proceso: a cada proceso se le asigna un identificador numérico
único (puede ser tan simple como un índice en la tabla de procesos).
? Información de estado del procesador (Contexto): Básicamente está formada
por el contenido de los registros del procesador. Cuando se interrumpe un
proceso, el contenido de los registros del procesador debe salvarse de forma que
pueda restaurarse cuando el proceso reanude su ejecución
? Información de control del proceso: Información necesaria para que el sistema
operativo controle y coordine los diferentes procesos.

? Identificación de Procesos. El PCB guarda:
? Identificador de este proceso.
? Identificador del proceso que creó a este proceso (proceso padre).
? Identificador del usuario.
? Información de estado del procesador
? Registros generales (visibles para el usuario).
? Contador de programa: contiene la dirección de la próxima instrucción a ejecutar.
? Códigos de condición: muestran el resultado de la operación aritmética o lógica más
reciente (signo, cero, acarreo, desbordamiento).
? Información de estado: Indicadores de habilitación e inhabilitación de interrupciones.
? Puntero de Pila: Cada proceso tiene una o más pilas LIFO asociadas, para almacenar
parámetros y direcciones de retorno de procedimientos y de las llamadas al sistema.
El puntero de pila siempre apunta a la cima de la pila.

? Información de control de proceso.
Información necesaria para que el sistema operativo controle y coordine los diferentes
procesos activos.
? Estado del proceso: preparado, en ejecución, suspendido, etc.
? Prioridad de un proceso
? Información de planificación: depende del algoritmo de planificación, por
ejemplo la cantidad de tiempo que el proceso ha estado esperando y que se
ejecutó la última vez.
? Suceso (evento): identidad del suceso que el proceso está esperando antes de
poder reanudarse (solicitudes de E/S pendientes).
? Mapa de memoria: memoria de código, memoria de datos y memoria de pila.

? Implementación de varios procesos: Cambios de contexto
La ejecución aparentemente simultánea de varios procesos en un mismo sistema,
requiere repartir el tiempo de CPU entre los procesos a ejecutar.
Ello implica desasignar la CPU al proceso en ejecución y asignarla a un proceso
preparado. Esta actividad se conoce con el nombre de cambios de contexto.
Realizar un cambio de contexto lleva consigo:
? Salvar el contexto del proceso en ejecución en su PCB.
? Poner en la CPU el contexto del nuevo proceso (nuevo contador de programa).
? Actualizar la información de control de los procesos.

CPU
PC
SP
registros
1 procesador
físico
P1 contexto
PCB #1
P2 contexto
PCB #2
Pn contexto
PCB #n
n procesadores virtuales
(3)
P1 --> P2
P2 --> P1PC
SP
registros
contexto
(1)
contexto
PC
SP
registros
(2)
PC
SP
registros
(4)
? Cambio de contexto

? Cambio de contexto.
Los cambios de contexto no son trabajo útil e implican una sobrecarga
importante si se hacen con frecuencia: reducen la utilización.
? Utilización de CPU
P1 P2 P3 P1
t
Cambios de contexto
Utilización de CPU =
T(P1) + T(P2) +T(P3) + 3t
T(P1) + T(P2) +T(P3)

? Motivos que provocan cambios de contexto:
? Terminación normal del proceso, el proceso en ejecución se acaba.
? El proceso en ejecución es suspendido en espera de una E/S o de un
evento.
? El proceso en ejecución es expulsado bien porque ha agotado la
cantidad de tiempo de CPU asignada bien porque se decide asignarla a
otro proceso más prioritario.
? El sistema se puede representar como un diagrama de colas donde
? Los círculos representan recursos
? Los rectángulos representan colas de procesos que esperan acceder a
los recursos.

? Implementación de varios procesos: Estructuras de control del sistema
Proceso
terminado
Cola de procesos
preparados
CPU
Cola de procesos
esperando suceso
Suceso
Cola de procesos
esperando E/S
E/S
Cola de procesos
esperando ejecución
Proceso
nuevo
Expulsión
Recursos
Colas
…
? Los PCBs se almacenan
en colas, cada una de
las cuales representa un
estado particular de los
procesos.
? Los PCBs se almacenan
en colas, cada una de
las cuales representa un
estado particular de los
procesos.
? Para implementar procesos es conveniente pensar en un
sistema como una colección de recursos y colas que
representan los procesos que esperan para utilizar el recurso.
? Para implementar procesos es conveniente pensar en un
sistema como una colección de recursos y colas que
representan los procesos que esperan para utilizar el recurso.

? Implementación de varios procesos: Estructuras de control del sistema
? Los datos que el sistema utiliza para controlar la ejecución de los procesos, se
pueden considerar reunidos en una estructura que se suele conocer con el
nombre de Bloque de Control del Sistema (SCB).
? El SCB contiene en la gran mayoría de casos la siguiente información:
?Tabla de procesos
?Un puntero a la cola de PCBs de los procesos nuevos, que no están
activos y están esperando ejecución.
?Un puntero al PCB del proceso que está haciendo uso de la CPU
?Un puntero a la cola de PCBs de los procesos preparados
?Un puntero a la cola de PCBs de los procesos que están esperando a
que se produzca algún evento, para poder volver a ejecutarse, no
pudiendo hacerlo hasta que tenga lugar el evento esperado.
?Los identificadores de las rutinas necesarias para tratar las
interrupciones producidas por el hardware, software o errores
indeseados.
?Estructuras de datos relacionadas con la comunicación y sincronización
de procesos
?Otras tablas y datos relacionados con la gestión de memoria y ficheros.

Proceso en
ejecución
Cola de procesos
preparados
Cola de procesos
nuevos
Cola de procesos
esperando evento i
Vectores de
interrupción
ESTRUCTURAS DE
CONTROL DEL SISTEMA
Identificador
Contexto
Estado: EJEC
Evento: --
Mapa de
memoria
P. Siguiente -
...
PCB n
Estado: PREP
Evento: --
P. siguiente
...
Estado: SUSP
Evento: i
P. siguiente
...
?
PCB 3
PCB 6 PCB 1
PCB 4 PCB 2
Tabla de procesos

Tema 3: Procesos
? Índice

3.- Hilos de ejecución (Threads)
?Concepto de hilo de ejecución (thread).
Hay sistemas operativos donde un proceso puede tener internamente actividades
concurrentes llamadas hilos de ejecución.
Ejemplo:
? Un proceso UNIX
“videojuego” puede tener
un hilo de ejecución para
cada uno de los elementos
móviles de la pantalla.

?Concepto de hilo de ejecución (thread).
El concepto de proceso que se ha presentado incluye las dos características
siguientes:
? Unidad de propiedad de recursos: A cada proceso se le asigna un
espacio de direcciones virtuales para albergar a la imagen del proceso y,
de cuando en cuando también se le puede asignar otros recursos
(canales de E/S, dispositivos de E/S y ficheros).
? Unidad de ejecución: Un proceso es un camino de ejecución a través de
un programa. Esta ejecución puede ser intercalada con la de otros
procesos.
Estas dos características son la esencia del proceso, pero pueden ser tratadas
de manera independiente por el s.o.

? Se puede diferenciar entre:
? Proceso (proceso pesado): Unidad de propiedad de los recursos
(memoria, descriptores de ficheros, etc). Tiene muchos atributos y es lento
de crear.
? Hilo de ejecución (proceso ligero): Actividad concurrente dentro de un
proceso (pesado). Todos los hilos de ejecución que pertenecen a un
mismo proceso comparten sus recursos (memoria, descriptores de fichero,
etc). Tiene pocos atributos y se crea rápidamente.
P1 P2
Hilos de ejecución

? Compartir memoria
? Los procesos UNIX no comparten
memoria (código o datos). Cada
uno tiene su propio espacio de
direcciones.
? Los hilos de ejecución de un
mismo proceso pueden tener
rutinas o variables comunes.
? No obstante, cada hilo tendrá su
propia pila donde se guardarán
las variables locales y
argumentos de invocación.

Los hilos de ejecución pueden implementarse de tres formas:
? Hilos a nivel de usuario (user-level threads): los hilos se crean a nivel del
proceso de usuario vía un conjunto de procedimientos de biblioteca o vía el soporte
de ejecución del lenguaje de programación.
? El sistema operativo sólo crea un hilo de ejecución en el núcleo por cada espacio
de direcciones (proceso).
? El resto de los hilos son implementados por el run-time del lenguaje.
? Es la aproximación utilizada en sistemas operativos que no soportan hilos.
? Los cambios de contexto entre los hilos a nivel de usuario son rápidos, ya que no
involucran llamadas al sistema.
? La política de planificación de estos hilos no está restringida a la propia del
sistema operativo.
? Cuando este tipo de hilos invocan llamadas al sistema bloqueantes, normalmente
se bloquea todo el proceso.
? No pueden explotar un sistema multiprocesador, ya que el sistema operativo ve un
único proceso.

Núcleo del SO
Un programa,
muchos hilos
Soporte en
ejecución del
lenguaje
Un programa,
muchos hilos
Soporte en
ejecución del
lenguaje
Hilos a nivel de usuario
= Espacio de direcciones = construcción
lingüística o hilo
a nivel usuario
= proceso o hilo del SO
•Implementación de hilos

? Implementación de hilos de
ejecución
? Hilos a nivel del núcleo
(kernel-level threads):
? El sistema operativo soporta hilos de
ejecución y proporciona un conjunto
de llamadas al sistema para su
manipulación.
? El sistema crea un hilo de ejecución
por cada hilo a nivel de usuario.
? Son la unidad de planificación del
sistema.
? El bloqueo y activación de hilos corre
a cargo del núcleo.
? Los cambios de contexto son
manejados por el kernel y son unas
10 veces más lentos que en el caso
de los hilos de usuario.
Núcleo del SO
Un programa,
muchos hilos
Soporte en
ejecución del
lenguaje
Un programa,
muchos hilos
Soporte en
ejecución del
lenguaje
Hilos a nivel de núcleo
= Espacio de direcciones
= construcción
a nivel usuario

? Implementación de hilos
de ejecución
? Aproximación híbrida:
? Se implementan las dos
clases de hilos anteriores.
? El sistema operativo
permite más de un hilo por
proceso.
? El soporte del lenguaje de
programación utiliza un
hilo del núcleo para
implementar un grupo de
hilos de usuario.
? Proporciona flexibilidad y
el máximo rendimiento
potencial al programador
de aplicaciones.
Núcleo del SO
Soporte en ejecución del lenguaje
Un programa, muchos hilos
u1 u2
k1
= Espacio de direcciones
= construcción
a nivel usuario

3.- Hilos de ejecución (threads)
? Utilización de hilos de ejecución
Los hilos de ejecución pueden ser creados y manejados:
? Utilizando un lenguaje de programación convencional y llamadas al
sistema.
?Ejemplo: C y threads en POSIX
? Utilizando construcciones lingüísticas (o clases) de un lenguaje de
programación que admita concurrencia
?Ejemplo: Tareas en Ada95, threads en Java

Llamada Descripción
pthread_create(thread_id, attr, func, args) Crea un nuevo hilo de ejecución. El hilo de
ejecución empieza en func y se le pasan los
parámetros args.
pthread_exit (status) El hilo que la invoca finaliza su ejecución.
pthread_join (thread_id) Suspende la ejecución del hilo que invoca
esta llamada, hasta que el thread_id acabe.
pthread_t pthread_self() Devuelve el identificador del thread que la
invoca.
? Threads en POSIX: llamadas básicas

#include <stddef.h>
#include <pthread.h>
void * process(void * arg){
printf("%s ", (char *) arg);
fflush(stdout);
pthread_exit(0);
}
int main(){
pthread_t th_a, th_b;
pthread_create(&th_a, NULL, process, "Hello");
pthread_create(&th_b, NULL, process, "World");
sleep(1);
}
#include <stddef.h>
#include <pthread.h>
void * process(void * arg){
printf("%s ", (char *) arg);
fflush(stdout);
pthread_exit(0);
}
int main(){
pthread_t th_a, th_b;
pthread_create(&th_a, NULL, process, "Hello");
pthread_create(&th_b, NULL, process, "World");
sleep(1);
}
? Threads en POSIX: un ejemplo

? Ada permite la programación de
actividades concurrentes.
? La facilidad Ada que permite
programar estas actividades es el tipo
de datos task.
? El tipo tarea debe ser especificado en
primer lugar y posteriormente
implementado.
? Las tareas Ada comparten memoria y
se comunican y sincronizan mediante
citas y/o objetos protegidos.
? Pueden declararse objetos tarea
directamente omitiendo type. En este
caso no pueden definirse variables.
? Cada tarea dispone de una copia de
las variables locales declaradas.
task type Niño;
task body Niño
is
Sueño: Boolean;
Edad: Natural;
begin
loop
Dormir;
loop
Comer;
Jugar_O_Incordiar;
exit when Sueño
end loop;
exit when Edad > ...
end loop;
end Niño;
Victor,Santiago,Gabriela: Niño;
task type Niño;
task body Niño
is
Sueño: Boolean;
Edad: Natural;
begin
loop
Dormir;
loop
Comer;
Jugar_O_Incordiar;
exit when Sueño
end loop;
exit when Edad > ...
end loop;
end Niño;
Victor,Santiago,Gabriela: Niño;
3.- Threads en Ada: Declaración

? Cuando un programa Ada
comienza, se crea la tarea principal,
la cual ejecuta el subprograma
principal.
? Cuando se declara una variable del
tipo task, el soporte en tiempo de
ejecución del lenguaje Ada crea un
hilo de ejecución (proceso ligero)
dentro del proceso que está
ejecutando el programa.
? Una tarea comienza su ejecución
cuando comienza la ejecución de la
unidad (maestra) donde se declara.
? La unidad de ejecución maestra
sólo finaliza cuando finalizan todas
las tareas que dependen de ella.
procedure Guarderia is
task type Niño;
task body Niño
is
------
end Niño;
Victor,
Santiago,
Gabriela: Niño;
begin
-- unidad maestra;
end Guarderia;
procedure Guarderia is
task type Niño;
task body Niño
is
------
end Niño;
Victor,
Santiago,
Gabriela: Niño;
begin
-- unidad maestra;
end Guarderia;
Inician
Guarderia y
los tres niños
Inician
Guarderia y
los tres niños
Guarderia
espera la
terminación
de los tres
niños
Guarderia
espera la
terminación
de los tres
niños
3.Threads en Ada: activación y finalización

Tema 3: Procesos
? Índice

4.- Concepto de planificación
? Recursos reutilizables en serie
? Escasez de recursos: el número de recursos es inferior al número de
procesos que compiten por ellos.
? Recursos reutilizables en serie: aquellos que sólo pueden estar
asignados a un proceso en un instante de tiempo dado. Ejemplos:
Impresoras, CPU.
? Planificación de recursos: Con recursos reutilizables en serie el s.o.
tiene que aplicar una política para asignar recursos a los procesos.

Salvar contexto en PCB #1
Cargar contexto desde PCB #3
P1
P2
Sistema operativo
1
2
3
Ejecución
Ejecución
Interrup. o
llamada al
sistema
Interrup. o
llamada al sist
P3
Ejecución
Salvar contexto en PCB #2
Cargar contexto desde PCB #2
-- Tratamiento
-- Tratamiento
PLANIFICADOR:
escoger nuevo proceso
PLANIFICADOR:
escoger nuevo proceso
4

? Planificador
Elemento del sistema operativo que determina a qué proceso se le asigna un
determinado recurso (p. e. CPU) en cada instante de tiempo, de acuerdo con
alguna política.
En el caso de que el recurso a asignar sea la CPU se distinguen entre tres
planificadores:
? Planificador a largo plazo.
? Planificador a medio plazo
? Planificador a corto plazo.

Diagrama de colas del sistema
Proceso
terminado
Cola de procesos
preparados
CPU
Cola de procesos
esperando suceso
Suceso
Cola de procesos
esperando E/S
E/S
Planificador a
largo plazo
Planificador a
corto plazoCola de procesos
esperando ejecución
Proceso
nuevo
Expulsión
Recursos
Colas
…
Cola de procesos
intercambiados
a discoPlanificador a
medio plazo
Planificador a
medio plazo

? Planificador a largo plazo
? En un sistema de procesos por lotes, los procesos recién incorporados
permanecen detenidos en una cola de procesamiento por lotes, en el
disco. El planificador a largo plazo creará procesos a partir de la cola
cuando sea posible.
? Dos son las decisiones que toma el planificador a largo plazo:
?Cuando crear un nuevo proceso: controla el grado de multiprogramación.
?Cuál va a ser el siguiente proceso a admitir: algoritmo FCFS (firts_come, first-
served), tener en cuenta prioridades, tiempos de ejecución esperados,
exigencias E/S.
? Controla el grado de multiprogramación: conjunto de procesos que
residen simultáneamente en memoria y se ejecutan concurrentemente.
? Selecciona procesos de la cola de procesos que están esperando ser
ejecutados y los carga en memoria.
? Se ejecuta con poca frecuencia, ya que pueden transcurrir minutos entre
la creación de nuevos procesos en el sistema.

? Planificador a medio plazo
? Cuando un usuario se conecta al sistema, se genera una solicitud de
crear un proceso, los usuarios de tiempo compartido no pueden ser
puestos en una cola y esperar a que el sistema pueda aceptarlos.
? En ocasiones es interesante sacar procesos de memoria para reducir el
grado de multiprogramación o para mejorar la mezcla de procesos
(orientados a CPU o E/S).
? Se encarga de controlar qué procesos, de entre todos los iniciados deben
estar en memoria y qué otros deben estar en el espacio de intercambio.
? El planificador a medio plazo se encarga de sacar el proceso y volverlo a
introducir más tarde. El proceso continuará su ejecución a partir del punto
donde se había quedado.
? A este esquema comúnmente se le denomina “swapping”.

? Planificador a corto plazo
? Selecciona un proceso de la cola de procesos preparados para ejecución
y le asigna la CPU.
? Se ejecuta con mucha frecuencia. El proceso seleccionado quizás se
ejecute únicamente durante unos milisegundos antes de iniciar una
solicitud de E/S.
? Se ejecuta cuando ocurre un evento que conduce a la interrupción del
proceso actual, expulsando el proceso a favor de otro. Ejemplos de
eventos:
?Interrupciones de reloj.
?Interrupciones de E/S.
?Llamadas al sistema operativo.
?Señales.

? Procesos orientados a CPU u orientados a E/S
? Un proceso orientado a CPU es aquel que invierte la mayor parte de su
tiempo en efectuar cálculos y genera solicitudes de E/S con poca
frecuencia.
? Un proceso orientado a E/S es aquel que emplea más tiempo en realizar
E/S que en efectuar cálculos.
El planificador a largo plazo debe seleccionar una mezcla adecuada de
procesos orientados a CPU y orientados a E/S.
Proceso orientado a CPU
CPU E/S CPU E/S CPU
CPU E/S CPU E/S CPU
Proceso orientado a E/S

Tema 3: Procesos
? Índice

5.- Criterios de planificación
? Criterios de planificación
Algunos de los criterios y características que un planificador debe conseguir son:
? Utilización: Los recursos se han de mantener tan ocupados como sea posible.
?Tiempo_recurso_ocupado / Tiempo_total
? Rendimiento: Maximizar el número de tareas procesadas por unidad de tiempo.
?Número_de_trabajos_terminados / Tiempo_total
? Tiempo de retorno: Tiempo que tarda en ejecutarse un proceso.
?Tiempo de salida - Tiempo de entrada = ? TCPU + ? TE/S + ? TColas

? Criterios de planificación (2):
? Tiempo de espera:
?Tiempo que un proceso está en la cola de procesos preparados.
? Tiempo de respuesta:
?Tiempo que transcurre desde que se presenta una solicitud hasta que
el sistema comienza a contestar (en procesos interactivos).
? Equidad:
?Garantizar que cada proceso obtiene la proporción justa de CPU. Es
decir, que los procesos sean tratados de manera igualitaria. Lo
opuesto a equidad sería inanición.

? Optimización de los criterios de planificación.
No se pueden optimizar todos los criterios a la vez porque algunos de ellos
son contrapuestos. Cada tipo de sistema tiene sus prioridades:
? Sistema por lotes: Maximizar utilización y rendimiento y minimizar el
tiempo de retorno y de espera.
? Sistemas interactivos: Proporcionar equidad y hacer el tiempo de
respuesta razonable y predecible.
? La multiprogramación en sí misma supone una mejora de muchos de los
criterios anteriores respecto a la ejecución secuencial.
? Los algoritmos de planificación también tienen como objetivo mejorar
algunos de los criterios mencionados.

?Ejemplo: SIN MULTIPROGRAMACIÓN
E/SCPU E/SCPU CPU E/SCPU E/SCPU CPU
Proceso P0 Proceso P1
Utilización CPU = 6/10 = 60
Productividad = 2 trabajos/10 = 0.2
Tiempo de retorno = (5+10)/2 = 7.5
Utilización CPU = 6/10 = 60
Productividad = 2 trabajos/10 = 0.2
Tiempo de retorno = (5+10)/2 = 7.5
Utilización CPU = 100%
Productividad = 2 trabajos /6 = 0.33
Tiempo de retorno = (5 + 6)/2 = 5.5
Este representa un caso extremo.
En el caso de TCPU << T E/S la
utilización de la CPU sería < 100%
Utilización CPU = 100%
Productividad = 2 trabajos /6 = 0.33
Tiempo de retorno = (5 + 6)/2 = 5.5
Este representa un caso extremo.
En el caso de TCPU << T E/S la
utilización de la CPU sería < 100%
CON MULTIPROGRAMACIÓN
Proceso P0
E/SCPU E/SCPU CPU
E/S E/SCPU CPU CPU
Proceso P1
Se intercalan ráfagas de CPU con ráfagas de E/S

? Histograma de intervalos de tiempo de CPU
? Gran número de
ráfagas de CPU de
corta duración
? Pequeño número
de ráfagas de CPU
de larga duración.
duración de ràfaga (pulsos de reloj)
frecuencia
20
40
60
80
100
120
140
160
8 16 24 32

? Para mejorar la utilización de la CPU se podría:
? Aumentar el grado de multiprogramación (mientras la memoria lo permita).
? Adoptar un algoritmo de planificación adecuado que optimice el orden de
ejecución de los procesos.
? Para conseguir un algoritmo de planificación óptimo se podría:
? Determinar qué parámetros se quiere optimizar.
? Conocer el tipo de comportamiento de los procesos.

Tema 3: Procesos
? Índice

6.- Algoritmos de planificación
? Objetivo
Decidir a cuál de los procesos que están en la cola de procesos listos se le
asignará la CPU.
? Clasificación de algoritmos de planificación:
? Por orden de llegada (FCFS).
? Circular (RR, round-robin)
? Por prioridades
?Sin expulsión (“Non preemptive”) / Con expulsión (“Preemptive”)
?Estáticos / Dinámicos
? Combinación de algoritmos: Clases de prioridades.

? Servicio por orden de llegada (FCFS : “first-come, first-served”)
La CPU es asignada a todos los procesos en el mismo orden que lo solicitan.
Proceso T. llegada T. CPU
P1 0 24
P2 0 3
P3 0 3
0 24 27 30
P1 P2 P3
Caso 1) Orden de llegada
P1, P2, P3
T. de espera medio:
(0 + 24 + 27) / 3 = 17
0 3 6 30
P1P2 P3
Caso 2) Orden de llegada
P2, P3, P1
T. de espera medio:
(6 + 0 + 3) / 3 = 3

? Servicio por orden de llegada (FCFS : “first-come, first-served”)
? Propiedades
? Sin expulsión: Cuando un proceso tiene asignada la CPU, la conserva hasta que
desee liberarla, bien sea porque finaliza o por solicitud de una E/S.
? Ventajas
? Fácil de implementar
? Inconvenientes
? No optimiza el tiempo de espera: es muy variable en función del orden de llegada
de los procesos y la duración de los intervalos de CPU.
? Efecto convoy: Los trabajos largos retrasan a los cortos (por ejemplo: piense en un
sistema con un único trabajo con largas ráfagas de CPU y muchos trabajos con
ráfagas cortas de CPU).
? No es adecuado para sistemas interactivos: Por ser sin expulsión un trabajo con
una ráfaga de CPU larga puede provocar una espera larga a otros usuarios.

? Prioridad al trabajo más breve ( SJF: shortest job first )
? Se asocia a cada trabajo (proceso) el tiempo del siguiente intervalo de
CPU.
? Se asigna la CPU al trabajo con menor tiempo asociado.
? Sin expulsión: cuando un proceso tiene asignada la CPU, la conserva
hasta que desee liberarla.

? Ejemplo: Prioridad al trabajo más breve (SJF).
Procesos Instante de llegada Duración
P1 0 7
P2 2 4
P3 4 1
P4 5 4
SJF (sin expulsión)
•Media del tiempo de espera: (0 + 6 + 3 + 7) / 4 = 4
0 7 8 12
P1 P2P3 P4
16
Tiempo de espera medio: (0 + 6 + 3 + 7) / 4 = 4

? Variante con expulsión del SJF ( SRTF: Shortest Remaining Time First )
Prioridad al que le resta menos tiempo (para finalizar).
? La CPU es asignada al proceso que le queda menos tiempo para acabar
la ráfaga de CPU en curso.
? Variante con expulsión de SJF: Si llega un proceso con un intervalo de
CPU inferior al tiempo que le falta al proceso en ejecución para
abandonar la CPU, entonces el nuevo proceso se hace con la CPU.

? Ejemplo del SRTF. Procesos T. Llegada Duración
P1 0 7
P2 2 4
P3 4 1
P4 5 4
0 7 11
P1 P2 P3 P4
16
P1P2
2 4 5
Diagrama de Gantt
Media del tiempo de espera: (9 + 1 + 0 + 2 ) / 4 = 3
Cronograma por procesos
P1
P2
P3
P4

? SRTF: Shortest Remaining Time First
? Ventajas
? SRTF optimiza la media de tiempo de espera.
? Inconvenientes
? El tiempo del siguiente intervalo de CPU es difícil de predecir. Esto lo
hace difícil de implementar para un planificador a corto plazo.(En los
sistemas por lotes el usuario puede aportar información).
? Posibilidad de inanición: los trabajos largos no se ejecutarán mientras
haya trabajos cortos.

? Planificación SJF/SRTF
Aunque no se conoce la longitud de la siguiente ráfaga se puede predecir su valor
esperando que sea de longitud similar a las anteriores.
? Estimación del siguiente intervalo de CPU
Se utiliza la media exponencial:
T n+1 = ? tn + (1 - ? ) Tn
? tn: tamaño real del n-ésimo intervalo de CPU
? Tn: Tamaño estimado del n-ésimo intervalo de CPU.
? ? : coeficiente exponencial 0 ??? ?? ?
? Caso ? ?= 1, los datos históricos son irrelevantes y sólo tiene importancia la ráfaga más
reciente de CPU. T n+1 = tn
? Caso ? = 0, la historia reciente no tienen efecto, se supone que las condiciones actuales
son transitorias. T n+1 = Tn
? Es habitual que ? = 1/2, por lo que la historia reciente y antigua se ponderan de igual
manera.

? Planificación SJF/SRTF
? Estimación del siguiente intervalo de CPU
Desarrollando la fórmula y sustituyendo T n+1 por tn llegamos a:
T n+1 = ? tn + (1 - ? ) ? tn-1 + … + (1 - ? )j ? tn-j + … + (1 - ? )n+1 T0
Puesto que tanto (1 - ? ) como ? son
menores o iguales que 1 cada término
sucesivo tiene menos peso que el anterior.
Ejemplo de promedio
exponencial para
? = 1/2, y T0= 10
Ráfaga de CPU: 6 4 6 4 13 13 13
Predicción: 10 8 6 6 5 9 11
2
4
6
8
10
12
longitudderáfaga
tiempo

? Planificación por prioridades
? Se asocia a cada proceso un número (entero), llamado prioridad de
acuerdo con algún criterio.
? Se asigna la CPU al trabajo con mayor prioridad (normalmente, mayor
número).
? Ejemplo:
?SJF es un caso particular de prioridades en el que la prioridad es 1/T.

? Ejemplo:
? Planificación prioridades
0 7 11
P1 P2 P3 P4
16
P1P2
2 4 5
Diagrama de Gantt
P1
P2
P3
P4
Procesos T. Llegada Duración Prioridad
P1 0 7 5
P2 2 4 10
P3 4 1 15
P4 5 4 10

? Planificación por Prioridades: Variantes
? Algoritmos con expulsión/sin expulsión.
? Prioridades estáticas/dinámicas.
?Prioridades estáticas: La prioridad se asigna antes de la ejecución y
no cambia.
?Prioridades dinámicas: La prioridad cambia con el tiempo.

? Planificación por prioridades
? Problema de inanición
Un algoritmo de prioridades es inherentemente poco equitativo. El problema extremo
es:
? Inanición: Los procesos con baja prioridad no se ejecutan nunca.
? Solución:
? Actualización de prioridades: Esquema de prioridades dinámicas, donde la
prioridad de un proceso aumenta con el tiempo de espera.

? Planificación circular ( RR: Round Robin )
? A cada proceso se le asigna una pequeña cantidad de tiempo de CPU,
llamada “quantum” de tiempo, normalmente 10-100mseg.
Si el proceso tiene un intervalo de CPU mayor que el “quantum”, entonces
es expulsado de la CPU y añadido a la cola de procesos listos.
? Si hay n procesos, cada uno obtiene 1/n del tiempo de la CPU en
intervalos de q unidades, como máximo.

? Ejemplo:
? Planificación circular
0 15 19
P1 P2
304 7 11
Diagrama de Gantt
P3 P1 P3 P1 P3 P1
23 26
P1
P2
P3
Procesos T. Llegada Duración
P1 0 16
P2 0 3
P3 0 11
Quantum q=4

? Valor del “quantum” de tiempo
? Para q grandes: el algoritmo degenera en un algoritmo FCFS.
? Para q pequeños: q ha de ser grande respecto al tiempo necesario para
el cambio de contexto, sino la sobrecarga introducida es muy alta.
Regla práctica: El 80% de los intervalos de CPU han de ser inferiores al
“quantum” de tiempo.

? Propiedades:
? Equitativo.
? El tiempo de espera máximo está limitado por (n -1)q, antes de recibir su
siguiente cuanto de tiempo.
? El tiempo de retorno medio varía con el cuanto de tiempo.
En general es peor que el del algoritmo SRTF. Mejora si un porcentaje alto
de trabajos acaban antes de que acabe el cuanto de tiempo.

? Planificación con múltiples colas
Los procesos se pueden clasificar fácilmente en distintos grupos (interactivos,
por lotes, etc.). La cola de procesos preparados consiste en realidad en
diversas colas
? Cada cola ha de tener su propio algoritmo de planificación.
? Ha de haber un algoritmo de planificación entre colas.

? Ejemplo de algoritmo de
planificación entre colas:
? Prioridades estáticas: Los
procesos en cola con menor
prioridad no se ejecutan
mientras haya procesos en
cola con mayor prioridad.
Posibilidad de inanición.
? Cuotas de tiempo: Cada
cola está asignada a un
porcentaje del tiempo de
CPU. Ejemplo: el 80% a
trabajos interactivos y el 20%
a trabajos por lotes. Colas de procesos preparados
FCFS (prio. 10)
PRIO (prio. 8)
RR (prio. 6)
SJF (prio. 4)
Procesos
Sistema
Usuarios
privilegiados
Procesos
Interactivos
Procesos
Por Lotes

? Planificación con múltiples colas realimentadas.
? Existen diferentes colas de procesos preparados.
? Cada cola posee:
?Política de planificación.
?Una prioridad asignada.
? Un proceso puede cambiar de cola de acuerdo con un esquema de
actualización de prioridades:
?Los procesos con un tiempo de espera acumulado elevado son
promocionados a una cola con prioridad superior.
?Los procesos con un tiempo de utilización de la CPU elevado son
degradados a una cola con prioridad inferior.

? Planificación con múltiples colas realimentadas.
? Ejemplo
Colas de procesos preparados
RR [q=8] (prio. 10)
RR [q=16] (prio. 8)
FCFS (prio. 6)

? Múltiples colas realimentadas
? Parámetros de las colas realimentadas:
? Número de colas.
? Prioridad de cada cola.
? Método de promoción de un proceso.
? Método de degradación de un proceso.
? Método para determinar la cola de entrada de un proceso.

Planificación en UNIX SVR2
? Algoritmo de colas multinivel realimentadas.
? La prioridad es mayor cuanto menor sea el número asignado.
? Los procesos que se ejecutan a nivel de usuario tienen prioridades por encima del
valor base (base = 60 en UNIX SVR2).
? Los procesos que se ejecutan en el núcleo (debido a que han efectuado una
llamada al sistema) tienen una prioridad cuyo valor se encuentra comprendido
entre 0 y valor base-1.

? Las colas tienen un algoritmo RR con quantum de 1seg.
? Asignación dinámica de prioridades, de acuerdo con:
? El proceso en ejecución incrementa su uso de CPU en una unidad, cada pulso de
reloj (60 veces por segundo).
? Cada segundo se divide el uso de CPU por 2 y se recalcula la nueva prioridad
con:
?Uso CPU= uso CPU/2
?Nueva prioridad = valor base + uso CPU /2
?La base puede empeorarse con la llamada “nice”

? Cambios entre modo usuario y núcleo.
? Cuando un proceso realiza una llamada al sistema, no altera su prioridad
a menos que deba suspenderse.
? Cuando un proceso es suspendido en el núcleo adquiere una prioridad
de núcleo (< 60) que únicamente depende de la razón que le ha llevado a
suspenderse y no de su prioridad de usuario.
?Ejemplo: (A>>B, significa que A es más prioritario que B, y por tanto A tiene
menor número de prioridad que B)
?Espera de operación en disco >> Espera de entrada de teclado >> Espera de
finalización de escritura en pantalla >> Espera de terminación de proceso hijo
(ver figura transparencia 85).
? Cuando un proceso finaliza una llamada al sistema, recupera la prioridad
que tenía antes de suspenderse dentro del núcleo.
? Aunque el planificador sea expulsivo, un proceso no puede ser expulsado
mientras se ejecute dentro del núcleo.

Esperando finalización hijo
Espera E/S por terminal
Esperando buffer de disco
Esperando E/S de disco
Prioridad de usuario 0
60
61
62
63
59
58
57
56
Procesos esperando
en modo usuario
Procesos esperando
en modo kernel
.
.
.
.
.
.Prioridad
más alta
Prioridad
más baja
Planificación en UNIX

Planificación en UNIX
Proceso A Proceso B Proceso CTiempo
Prioridad t. CPU Prioridad t. CPU Prioridad t. CPU
0 60 0
1
.
60
60 0 60 0
1 75 30 60 0
1
.
60
60 0
2 67 15 75 30 60 0
1
.
60
3 63 7
8
.
67
67 15 75 30
4 76 33 63 7
8
.
67
67 15
5 68 16 76 33 63 7
? SUPUESTOS:
? A, B, C se crean simult.
Los procesos no hacen
llamadas al sistema
? Prioridad inicial =
Prioridad base = 60
? El menor valor para la
prioridad de usuario es
el valor base (60), que a
su vez indica la clase de
mayor prioridad.
? El reloj interrumpe al
sistema 60 veces/seg.
? Cada segundo calcula:
t.CPU= t.CPU/2
prioridad= (t.CPU/2) + 60

? Un ejemplo: Planificación de hilos
I/Ot10
t11
t12
0 1 32
P1
t20
0 5
P2
? Algoritmo del sistema operativo
? Round Robin (RR)
cuanto = 2
? Algoritmo biblioteca threads
? Turno de llegada (FCFS)
? Algoritmo del sistema operativo
? Round Robin (RR)
cuanto = 2
? Algoritmo biblioteca threads
? Turno de llegada (FCFS)

Threads a nivel
de núcleo
Threads de usuario
_
P1 P2
Núcleo
t10
t11
t12
t20
tn1 tn2
_
P1 P2
Núcleo
tn1 tn4
t10
t11
t12
t20
tn2
tn3
_
P1 P2
Núcleo
Threads híbridos
t10
t11
t12
t20
tn1 tn2tn3
? Un ejemplo: Planificación de hilos

? Planificación de hilos a nivel de núcleo
0 1 3 4 6 8 117
tn1 tn4
t10 t11 t12 t20
tn2 tn3 tn1 tn2 tn4
t20t10 t11
Usuario
Núcleo
I/Ot10
t11
t12
0 1 32
P1
t20
0 5
P2 _
P1 P2
Núcleo
tn1 tn4
t10
t11
t12 t20
tn2
tn3

? Planificación de hilos a nivel de usuario
0 1 3 5 7 8 9 10 11
tn1
t10 t20 t11 t20
tn2 tn1 tn2 tn1 tn2
t20t11 t12
Usuario
Núcleo
t10
tn1
I/Ot10
t11
t12
0 1 32
P1
t20
0 5
P2 _
P1 P2
Núcleo
t10
t11
t12
t20
tn1 tn2

? Planificación de hilos en la aproximación híbrida
0 1 3 5 7 8 9 10 11
tn1
t10 t20 t11 t20
tn2 tn3 tn1 tn2 tn3
t20t12 t10
Usuario
Núcleo
t11
tn2
_
P1 P2
Núcleo
t10
t11
t12
t20
tn1 tn2tn3
I/Ot10
t11
t12
0 1 32
P1
t20
0 5
P2

Tema 3: Procesos
? Índice

7.- Evaluación de algoritmos
? Procesos en la selección de un algoritmo:
? (1) Selección de criterios (utilización CPU, t. respuesta, etc.).
? (2) Estudiar la adaptación de cada algoritmo a esos criterios.
Es necesario evaluar para cada sistema cual es el algoritmo de planificación
más adecuado.

7.- Evaluación de algoritmos
? Existen diferentes métodos para llevar a cabo dicha evaluación:
? Evaluación analítica: Dada la carga de trabajos producir una fórmula
matemática del rendimiento para cada algoritmo de planificación.
?Modelo determinista: Evaluar el rendimiento para cada caso
particular de carga.
?Modelos de colas: Caracterizar la carga con una distribución
estadística (distribución exponencial).
– Caracterizar la tasa de llegada de trabajos.
– Caracterizar el tiempo de servicio de un recurso.
– Hacer análisis estadístico de las redes de colas.
Ejemplo: Fórmula de Little n = ? * E
n: tamaño medio de la cola, ? tasa media de llegada, E: tiempo medio de
espera en la cola.
? Simulaciones: Hacer un modelo, programarlo y ejecutarlo.

Tema 3: Procesos
? Índice

8.- S.O. dirigido por eventos
? El S.O. puede verse como un programa que atiende y sirve los eventos
producidos por los procesos y los dispositivos.
? Cuando se da alguno de estos eventos cambia el estado de alguno de
los procesos existentes en el sistema o el propio estado del sistema
operativo.
? ¿ Qué podemos considerar un evento de este tipo ?
? Una llamada al sistema.
? Una interrupción de un dispositivo de E/S.
? Una interrupción de reloj.
? Una excepción provocada por el código de un proceso (Instrucciones
ilegales, acceso a memoria no asignada, divisiones por cero, ...).

8.- S.O. dirigido por eventos
Proceso actual
Atención de
llamadas
Atención de
excepciones
Suspensión
del proceso
Terminación
del proceso
Activación
del proceso
Atención de
interrupciones
Llamada
Excepción
IPC
IPC,
espera E/S
Terminación
Instr. ilegal,
div. por cero
Fallo de página
Fin de E/S
Interrupción
HW
SISTEMA
OPERATIVO
Fin de espera
temporal
Planificación
Fin de quantum

Flujo de control del S.O.
Reloj
Interrupción de
periférico
Llamada al
Sistema
Excepción del
Procesador
Realizar cambio de modo de ejecución (núcleo -> usuario). Recuperar contexto de usuario.
Anotar el
avance del
tiempo
Si tiempo límite
excedido:
Proceso en
ejecución
a preparado
Planificador:
Selección del próximo proceso.
Realizar cambio de contexto
Pasar a preparado
al proceso
que esperaba el
fin de la E/S
Finalizar el
proceso en
ejecución
Resolver la
llamada al
sistema
Pasar a
suspendido al
proceso en
ejecución
Crear hijo.
Hijo a
preparado
Guardar parte del contexto de usuario, para realizar cambio de modo de ejecución (usuario->núcleo)
Activación del
Sistema Operativo

Tema3 procesos

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (20)

Destacado (20)

Similar a Tema3 procesos (20)

Más de Miguel Angel Sandoval Calderon (20)

Último (11)

Tema3 procesos