Sistemas Operacionais I

1 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFG

Sistemas Operacionais I

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Processos e Threads

Capítulo 2

2.1 Processos2.2 Threads2.3 Comunicação interprocesso2.4 Problemas clássicos de IPC2.5 Escalonamento

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ProcessosO Modelo de Processo

• Multiprogramação de quatro programas• Modelo conceitual de 4 processos sequenciais, independentes• Somente um programa está ativo a cada momento (pseudo-paralelismo)

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Criação de Processos

Principais eventos que levam à criação de processos1. Início do sistema2. Execução de chamada ao sistema

para criação de processos por um processo em execução

3. Solicitação do usuário para criar um novo processo

4. Início de um job em lote

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Término de Processos

Condições que levam ao término de processos

1. Saída normal (voluntária)

2. Saída por erro (voluntária)

3. Erro fatal (involuntário)

4. Cancelamento por um outro processo (involuntário)

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Hierarquias de Processos

• Pai cria um processo filho, processo filho pode criar seu próprio processo

• Formam uma hierarquia– UNIX chama isso de “grupo de processos”

• Windows não possui o conceito de hierarquia de processos– Todos os processos são criados iguais

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Estados de Processos (1)

• Possíveis estados de processos– em execução– bloqueado– pronto

• Mostradas as transições entre os estados

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Estados de Processos (2)

• Camada mais inferior de um SO estruturado por processos– trata interrupções, escalonamento

• Acima daquela camada estão os processos sequenciais

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Implementação de Processos (1)

Campos da entrada de uma tabela de processos

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Implementação de Processos (2)

Esqueleto do que o nível mais baixo do SO faz quando ocorre uma interrupção

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O Modelo de Thread• Processo: agrupamento de recursos (memória, arquivos

abertos, processos filhos, tratadores de sinais, etc)

• Threads: controle da execução (múltiplos fluxos em um mesmo processo - multithread)

• Lightweight process: processos leves

• Threads executam sobre uma CPU virtual (mais lenta)

• Não há proteção entre threads (1. é impossível, 2. não seria necessário)

• Threads também possuem vários estados: execução, bloqueada, pronta, finalizada.

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ThreadsO Modelo de Thread (1)

(a) Três processos cada um com um thread(b) Um processo com três threads

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O Modelo de Thread (2)

• Items compartilhados por todos os threads em um processo

• Itens privativos de cada thread

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O Modelo de Thread (3)

Cada thread tem sua própria pilha

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Uso de Thread• Em muitas aplicações ocorre múltiplas

atividades ao mesmo tempo• Threads são mais fáceis de criar e destruir

(100 vezes mais rápido)• Aceleram a aplicação quando esta possui

muito processamento junto com muita E/S• Úteis em sistemas com múltiplas CPUs ou

com CPUs de múltiplos núcleos (paralelismo real)

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Uso de Thread – exemplo 1

Um processador de texto com três threads

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Uso de Thread – exemplo 2

Um servidor web com múltiplos threads

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Uso de Thread – exemplo 2 (cont.)

• Código simplificado do slide anterior(a) Thread despachante(b) Thread operário

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Uso de Thread

Três maneiras de construir um servidor

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Implementação de Threads de Usuário

Um pacote de threads de usuário

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Threads de Usuário

• Vantagens– Pode ser implementado em SO sem suporte a threads

– Sistema supervisor: procedimentos p/ threads

– Tabela de threads gerenciada pelo sistema supervisor

– Alternância entre threads de usuário é rápida

– Não é necessário passar de modo usuário para núcleo

– Cada processo pode ter seu próprio algoritmo de escalonamento de threads

• Problemas– Como implementar as chamadas ao sistema com bloqueio

(leitura de teclado, falta de página, etc)

– Programadores geralmente querem threads em aplicações nas quais eles bloqueiam

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Implementação de Threads de Núcleo

Um pacote de threads gerenciado pelo núcleo

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Implementações Híbridas

Multiplexação de threads de usuário sobre threads de núcleo

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Ativações do Escalonador (não)

• Objetivo – imitar a funcionalidade dos threads de núcleo– ganha desempenho de threads de usuário

• Evita transições usuário/núcleo desnecessárias • Núcleo atribui processadores virtuais para cada

processo– deixa o sistema supervisor alocar threads para

processadores

• Problema:Baseia-se fundamentalmente nos upcalls - o núcleo (camada inferior) chamando procedimentos no espaço do usuário (camada superior)

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Threads Pop-Up (não)

• Criação de um novo thread quando chega uma mensagem(a) antes da mensagem chegar(b) depois da mensagem chegar

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Convertendo Código Monothread em Código Multithread (1) (não)

Conflitos entre threads sobre o uso de uma variável global

27 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGConvertendo Código Monothreadem Código Multithread (2) (não)

Threads podem ter variáveis globais privadas

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Comunicação InterprocessoCondições de Disputa

Dois processos querem ter acesso simultaneamente à memória compartilhada

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Regiões Críticas (1)

Quatro condições necessárias para prover exclusão mútua:

1. Nunca dois processos podem estar simultaneamente em suas regiões críticas

2. Nada pode ser afirmado sobre velocidades ou números de CPUs

3. Nenhum processo executando fora de sua região crítica pode bloquear outros processos

4. Nenhum processo deve esperar eternamente para entrar em sua região crítica

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Regiões Críticas (2)

Exclusão mútua usando regiões críticas

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Exclusão Mútua com Espera Ociosa (0)

• Desabilitar interrupções– Bastante útil dentro do próprio SO mas

inadequada como mecanismo de exclusão mútua para processo de usuário

• Variáveis de impedimento (spin lock)– Processo verifica variável antes de entrar

em sua região crítica– Sujeito à mesma falha que o diretório de

spool

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• Alternância obrigatória– Figura a seguir (estudar violação da condição

3): um processo está bloqueado por outro que não está em sua região crítica

– Embora evite todas as disputas, não é adequada quando um processo é muito mais lento que outro

• Solução de Peterson (a seguir)• Instrução TSL (Test and Set Lock) (a seguir)

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Exclusão Mútua com Espera Ociosa / Busy Waiting(1)

Solução de alternância obrigatória para o problema da região crítica(a) Processo 0. (b) Processo 1.

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Exclusão Mútua com Espera Ociosa (2)

Solução de Peterson para implementar exclusão mútua

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Exclusão Mútua com Espera Ociosa (3)

Entrando e saindo de uma região crítica usando a instrução TSL

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Problema da Inversão de Prioridade• Solução de Peterson e instruções TSL são corretas, mas:

– Espera ociosa gasta tempo de CPU– Efeitos inesperados, exemplo:

• Processo H (p. alta), Processo L (p. baixa)

• H é executado sempre que estiver pronto

• L está em sua região crítica

• H fica pronto e é escalonado

• H deseja entrar em sua região crítica

• Resultado: L nunca é escalonado e não sai de sua região crítica, H fica em laço infinito esperando L sair da região crítica

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Primitivas de comunicação interprocessos: Dormir e Acordar

Problema do produtor-consumidor com uma condição de disputa fatal

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Dormir e Acordar: condições de disputa• Variável count tem acesso irrestrito

• Situação problema:

– Buffer vazio

– Consumidor lê count (count=0)

– Escalonador interrompe consumidor e inicia produtor

– Produtor insere novo item no buffer, incrementa count (count =1)

– Produtor chama wakeup no consumidor

– Mas consumidor ainda não está dormindo → Sinal de acordar é perdido

– Consumidor volta a executar, percebe count = 0 (já lido anteriormente) e dorme

– Produtor, com o tempo, lota o buffer e vai dormir

– Resultado final: ambos dormirão para sempre

• Solução rápida: bit de espera pelo sinal de acordar - quando um sinal de wakeup é enviado a um processo que está acordado bit recebe 1

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Semáforos

• Dijkstra (1965): variável inteira (semáforo) para guardar número de sinais salvos para o futuro

• Operações down e up (generalizações de sleep e wakeup)

• Down (ação atômica e indivisível):

– Se S > 0 → sem--; prossegue;

– Se S==0 → dorme (sem terminar down)

• Up (também indivisível mas não bloqueia)

– Incrementa S

– Se processos dormindo em S (S==0), acorda um e S continua 0

• Atomicidade: sistema operacional desabilita interrupções e utiliza instrução TSL para bloquear outras CPUs

40 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGSemáforos

O problema do produtor-consumidor usando semáforos

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Mutexes (1)• Versão simplificada de semáforos – usado apenas para mutual

exclusion

• Variável mutex: impedido/desempedido

• Operações: mutex_lock e mutex_unlock

• Úteis em pacotes de threads implementados em espaço de usuário ( instruções TSL )

• thread_yield: necessária por não haver, em espaço de usuário, relógio que interrompa as threads

• thread_yield apenas chama escalonador de threads no espaço de usuário (rápido, pois não aciona o núcelo)

• Dois processos que compartilham um espaço de endereçamento comum nunca têm a mesma eficiência de threads de usuário

42 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Mutexes (2)

Implementação de mutex_lock e mutex_unlock

43 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Monitores (1)

Exemplo de um monitor

44 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Monitores (2)

• Delineamento do problema do produtor-consumidor com monitores– somente um procedimento está ativo por vez no monitor– o buffer tem N lugares

45 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Monitores (3)

Solução para o problema do produtor-consumidor em Java

46 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Monitores (4)

Solução para o problema do produtor-consumidor em Java (parte 2)

47 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Troca de Mensagens

O problema do produtor-consumidor com N mensagens

48 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Barreiras

• Uso de uma barreiraa) processos se aproximando de uma barreirab) todos os processos, exceto um, bloqueados pela

barreirac) último processo chega, todos passam

49 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Jantar dos Filósofos (1)

• Filósofos comem/pensam• Cada um precisa de 2

garfos para comer• Pega um garfo por vez• Como prevenir deadlock

50 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Jantar dos Filósofos (2)

Uma solução errada para o problema do jantar dos filósofos

51 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Jantar dos Filósofos (3)

Uma solução para o problema do jantar dos filósofos (parte 1)

52 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Jantar dos Filósofos (4)

Uma solução para o problema do jantar dos filósofos (parte 2)

53 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGO Problema dos Leitores e Escritores

Uma solução para o problema dos leitores e escritores

54 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGO Problema do Barbeiro Sonolento (1)

55 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGO Problema do Barbeiro Sonolento (2)

Solução para o problema do barbeiro sonolento

56 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGEscalonamentoIntrodução ao Escalonamento (1)

• Surtos de uso da CPU alternam-se com períodos de espera por E/Sa) um processo orientado à CPUb) um processo orientado à E/S

57 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Introdução ao Escalonamento (2)

Objetivos do algoritmo de escalonamento

58 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGEscalonamento em Sistemas em Lote (1)

Um exemplo de escalonamento job mais curto primeiro

59 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGEscalonamento emSistemas em Lote (2)

Escalonamento em três níveis

60 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGEscalonamento emSistemas Interativos (1)

• Escalonamento por alternância circular (round-robin)a) lista de processos executáveisb) lista de processos executáveis depois que B usou todo o seu quantum

61 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFG

Um algoritmo de escalonamento com quatro classes de prioridade

Escalonamento emSistemas Interativos (2)

62 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

Ciência da Computação UFGEscalonamento emSistemas de Tempo-Real

Sistema de tempo-real escalonável• Dados

– m eventos periódicos

– evento i ocorre dentro do período Pi e requer Ci segundos

• Então a carga poderá ser tratada somente se

1

1m

i

i i

C

P

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Política versus Mecanismo

• Separa o que é permitido ser feito do como é feito– um processo sabe quais de seus threads filhos

são importantes e precisam de prioridade

• Algoritmo de escalonamento parametrizado– mecanismo no núcleo

• Parâmetros preenchidos pelos processos do usuário– política estabelecida pelo processo do usuário

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Escalonamento de Threads (1)

Possível escalonamento de threads de usuário• processo com quantum de 50-mseg• threads executam 5 mseg por surto de CPU

65 Sistemas Operacionais I Prof. Marcelo S. Freitas

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Escalonamento de Threads (2)

Possível escalonamento de threads de núcleo• processo com quantum de 50-mseg• threads executam 5 mseg por surto de CPU