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1. Sistemas Operacionais
Profª Teresinha Magalhães
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 2
O Que é Sistema Operacional?
● Visão de Máquina Virtual● SO é uma extensão do hardware que implementa
uma interface para as aplicações(visão top-down)
● Visão de Gerente de Recursos● SO é um controlador dos recursos do sistema, tais
como: processadores, memória, periféricos, etc (Visão
bottom - up)
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Sistema Operacional● Programa ou conjunto de programas que responde
pelo controle da alocação dos recursos do
computador, como memória, tempo de
processador, espaço em disco, e demais
dispositivos periféricos. O sistema operacional é a
base sobre a qual as demais aplicações são
construídas.
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Sistema Operacional
● Consiste na camada intermediária entre o
aplicativo e o Hardware da máquina.
● Este conjunto é constituído por um Kernel, ou
núcleo, e um conjunto de Software básicos, que
executam operações simples, mas que juntos
fazem uma grande diferença.
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H a r d w a r e
Sistem a O p er a ci o n a l
u su á r i o s
Máquina de Níveis● Visão do usuário
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Funções Básicas● Visão do sistema operacional
p ro g r a m a d o re se a n a l i sta s
m em ó r ia d isco s
U C P
U su á r io s
H a r d w a r e
Siste m a O p er a cio n a lSi ste m a O p e r a cio n a l
f i ta s
im p r e sso ra s m o n i to r es
p ro g r a m a s,si stem a s ea p l i ca tiv o s
u su á r i o s
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Sistema Operacional: Uma Máquina de Níveis?
● Um sistema com hierarquias é considerado uma
máquina de níveis. No sistema computacional
vamos desde o chip (estrutura física com
semicondutores de silício) até os programas
aplicativos (instruções de computador que
executam tarefas úteis a usuários, seja humano,
seja outro computador) passando ainda pelo
sistema operacional.
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● O SO participa de todos os níveis do sistema
computacional, uma vez que ele abstrai o hardware para
o usuário, mantendo a integridade e segurança deste;
outra vez que o SO gerencia recursos de baixo nível
(físicos) como memória, E/S; e recursos de alto nível
(lógicos) como programas usuário. Em outras palavras,
o sistema operacional é considerado uma máquina de
níveis porque está presente no processo dos
dispositivos físicos, programas, compiladores, editores
e aplicativos.
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U ti l i tá r io s
C ir cu i t o s El e tr ô n ico s
M icr o p r o g r a m a çã o
Li n g u a g em d e M á q u i n a
Siste m a O p e r a ci o n a l
A p l ica t i vo s
Máquina de Níveis● Máquina de níveis
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● Quando temos um SO, é ele quem precisa saber lidar
com os dispositivos, comunicar com a placa de som, a
internet, os disquetes... Assim, um sw que seja feito
para funcionar neste sistema não precisará de
informações específicas do equipamento. Ao invés
disso, ele chamará a função do kernel e o SO fará a
comunicação, repassando os resultados.
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● Cada Sistema Operacional pode ter uma
Linguagem de Máquina própria e distinta. Por isso
é comum que softwares feitos para um Sistema
Operacional não funcionem em outro.
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Classificações -Tipo comercialização●Sistemas Proprietários - Aqueles que são pagos e cujo código fonte não é livremente disponibilizado. (Windows). ●Sistemas Gratuitos - Aqueles que não são pagos, mas cujo código fonte também não é de livre acesso (BeOS).
●Sistemas Open Source (Código Aberto) - Aqueles cujo código fonte é aberto (Unix). ●Sistemas Livres - Aqueles que são Open Source, e cujo código fonte pode ser livremente alterado (Linux, BSD).
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Em termos de Funcionamento Interno● Os SOs podem se dividir em dois tipos principais,
muito relacionados com o desenvolvimento
tecnológico:
● Sistemas monotarefa (ex: DOS)
● Sistemas Multitarefa (ex:, Linux, Unix)
Os sistemas multi-tarefa podem ainda ser mono-
usuário (BeOS) ou multi-usuários (Unix, Linux)
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Monotarefa e Multitarefa
● Monotarefa - Um SO que permite a realização de
apenas uma tarefa de cada vez.
● EX: DOS
● Multtarefa - Característica dos SO modernos que
permite repartir a utilização do Processador entre várias
tarefas simultaneamente.
● Ex.: Windows
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● Atualmente, a grande maioria dos sistemas operacionais
são de tipo Multitarefa, onde o tempo de processamento
é repartido entre as diversas tarefas, dando a impressão
ao usuário que elas são executadas simultaneamente.
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●
● O passo para a multitarefa foi a criação dos TSR's
(Terminate and Stay Resident), eram pequenos
programas que permaneciam em memória enquanto se
executava outro programa, e que eram ativados
mediante combinações de tecla. Ou seja, estando o usr a
escrever um texto, por ex, podia chamar uma agenda
pessoal para tirar notas mediante uma combinação de
teclas (que dependia do programa usado).
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● Assim, do ponto de vista do processador, o
processo do processador de texto era bloqueado
e passava-se o controle para a agenda. Quando o
utilizador terminasse, voltava-se ao processador.
Ambos programas coexistiam, mas não podiam
ser executados em simultâneo.
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● O passo seguinte foi a emulação de multitarefa.
Exemplos disto eram as primeiras versões de
Windows, em que este corria sobre DOS
(monotarefa), mas o núcleo do programa tratava de
fazer a sua própria gestão dos processos.
Curiosamente, se um processo bloqueasse o
Windows, todas as aplicações teriam que ser
terminadas pois eram todas dependentes.
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● Posteriormente, surgiu um dos principais
componentes dos SO atuais: o Escalonador de
processos ou scheduler, que faria a gestão,
qualificação e o gerenciamento de prioridade dos
processos sem afetar o núcleo do SO. Ou seja, todas
as tarefas Kernel são críticas, e todo o tempo que
sobrar é legado aos processos. Necessidade de
estabilizar o kernel, para minimizar o tempo de
execução de tarefas internas.
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 20
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Sistemas Monoprogramáveis/Monotarefa ● Os primeiros SO eram tipicamente voltados para a
execução de um único programa (job). qq outro
programa, para ser executado, deveria aguardar o
término do programa corrente. Estes,
caracterizavam por permitir que o processador, a
memória e os periféricos permaneçam
exclusivamente dedicados à execução de um único
programa.
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● SOs monoprogramáveis/monotarefa
M e m ó r iaPr in cip a l
D i sp o si t ivo sd e E/ S
U C Pp r o g r a m a /
ta r e fa
Tipos de Sistemas Operacionais
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Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa Os Sistemas Multiprogramáveis, que vieram a
substituir os monoprogramáveis, são mais complexos e
eficientes. Enquanto em sistemas monoprogramáveis
existe apenas um programa utilizando seus diversos
recursos, nos multiprogramáveis vários programas
dividem esses mesmos recursos.
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Tipos de Sistemas Operacionais● SOs multiprogramáveis/multitarefa
M em ó r iaPr in cip a l
D i sp o si t ivo sd e E/ S
U CP p ro g r a m a /ta re fa
p r o g r a m a /ta re fa
p ro g r a m a /ta re fa
p ro g r a m a /ta r e fa
p ro g r a m a /ta re fa
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Sistemas Multiprogramáveis/Multitarefa As vantagens do uso de sistemas multiprogramáveis
são o aumento da produtividade dos seus usuários e a
redução de custos, a partir do compartilhamento dos
diversos recursos do sistema.
A partir do número de usuários que interagem com o
sistema, podemos classificar os sistemas
multiprogramáveis como monousuário e multiusuário.
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O conceito de sistemas multiprogramável está
tipicamente associado aos mainframes e
minicomputadores, onde existe a idéia do sistema
sendo utilizado por vários usuários (multiusuário).
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● No mundo dos computadores pessoais e estações de
trabalho, apesar de existir apenas um único usuário
interagindo como sistema (monousuário), é possível que ele
execute diversas tarefas concorrentemente ou mesmo
simultaneamente. Os sistemas multitarefa, como também
são chamados, se caracterizam por permitir que o usuário
edite um texto, imprima um arquivo, copie um arquivo pela
rede e calcule uma planilha.
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Os sistemas multiprogramáveis/multitarefa podem ser
classificados pela forma com que suas aplicações são
gerenciadas, podendo ser divididos em sistemas batch, de
tempo compartilhado ou de tempo real. Um sistema
operacional pode suportar um ou mais desses tipos de
processamento.
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● Tipos de sistemas operacionais - Recapitulando
Ti p o s d eSistem a s O p er a cio n a i s
Sistem a sM o n o p r o g ra m á v e is/
M o n o ta r e fa
Sistem a sco m M ú l ti p l o sPr o cessa d o re s
Sistem a sM u l ti p r o g ra m á ve i s/
M u l t i ta r e fa
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Tipos de Sistemas Operacionais● SOs multiprogramáveis /multitarefa
Sistem a sM u l ti p r o g ra m á ve i s/
ta re faM u l ti
Sistem a sBa tch
Sistem a s d eTem p o Rea l
Sistem a s d eTem p o C o m p a r t i l h a d o
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● Os sistemas batch (lote) foram os primeiros sistemas
multiprogramáveis a serem implementados e caracterizam-
se por terem seus programas, quando submetidos,
armazenados em disco ou fita, onde esperam para ser
executados seqüencialmente.
● Alguns exemplos de aplicações originalmente processadas
em batch são compilações, backups e todas aquelas onde
não é necessária a interação com o usuário.
Sistemas Batch
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● Processamento batch
Pr o cessa m en to
Pr o cessa m en to
Pr o cessa m en to
(a )
(b )
(c)
f i ta d e e n tr a d a
f i ta d e e n tr a d a
ca r tõ es p er fu r a d o s
f i ta d e sa íd a
r e la tó r io s
f i ta d e sa íd a
jo b 2
j o b n
r e la tó r io 1
r e la tó r io 2
r e la tó r io n
jo b 1
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Os sistemas de tempo compartilhado (time-sharing) permitem a
interação dos usuários com o sistema, basicamente através de
terminais que incluem vídeo, teclado e mouse. Dessa forma, o
usuário pode interagir diretamente com o sistema em cada fase
do desenvolvimento de suas aplicações e, se preciso, modificá-
las imediatamente. Devido a esse tipo de interação, os sistemas
de tempo compartilhado também ficaram conhecidos como
sistemas on-line.
Sistemas de Tempo compartilhado
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Para cada usuário, o SO aloca uma fatia de tempo (time-slice)
do processador. Caso o programa do usuário não esteja
concluído nesse intervalo de tempo, ele é substituído por um de
outro usuário, e fica esperando por uma nova fatia de tempo.
Não só o processador é compartilhado nesse sistema, mas
também a memória e os periféricos, como discos e
impressoras. O sistema cria para o usuário um ambiente de
trabalho próprio, dando a impressão de que todo o sistema está
dedicado, exclusivamente, a ele.
Sistemas de Tempo compartilhado
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● Os sistemas de tempo real (real time) são bem
semelhantes em implementação aos sistemas
de tempo compartilhado. A maior diferença é o
tempo de resposta exigido no processamento
das aplicações.
● Não existe idéia de fatia de tempo, um
programa detém o processador o tempo que for
necessário, ou até que apareça outro prioritário
em função de sua importância no sistema.
Sistemas de Tempo Real
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● OBS:
● Cada Sistema Operacional pode ter uma
Linguagem de Máquina própria e distinta. Por isso
é comum que softwares feitos para um Sistema
Operacional não funcionem em outro.
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– Os sistemas com múltiplos processadores caracterizam-
se por possuir duas ou mais UCPs interligadas,
trabalhando em conjunto. Um fator-chave no
desenvolvimento de sistemas operacionais com
múltiplos processadores é a forma de comunicação entre
as UCPs e o grau de compartilhamento da memória e
dos dispositivos de entrada e saída. Em função desses
fatores, podemos classificar os sistemas em fortemente
acoplados ou fracamente acoplados.
Sistemas com Múltiplos Processadores
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Sistemas com Múltiplos Processadores
● Sistemas fortemente acoplados
U CP U CPM em ó r iaPr in cip a l
D i sp o si t ivo sd e E/ S
D isp o si t ivo sd e E/ S
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Nos sistemas fortemente acoplados (tightly coupled) existem
vários processadores compartilhando uma única memória e
gerenciados por apenas um sistema operacional. Múltiplos
processadores permitem que vários programas sejam
executados ao mesmo tempo, ou que um programa seja
dividido em subprogramas, para execução simultânea em mais
de um processador.
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Sistemas com Múltiplos Processadores
● Sistemas fracamente acoplados
U C P U C P
M e m ó r iaPr in cip a l
M e m ó r iaPr in cip a l
D i sp o si t ivo sd e E/ S
l in k d e co m u n ica çã o
D i sp o sit ivo sd e E/ S
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Os sistemas fracamente acoplados caracterizam-se por
possuir dois ou mais sistemas de computação interligados,
sendo que cada sistema possui o seu próprio sistema
operacional, gerenciando os seus recursos, como
processador, memória e dispositivos de entrada/saída.
Os sistemas fortemente acoplados podem ser divididos em sistemas simétricos e assimétricos.
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Sistema assimétricoNa organização assimétrica ou mestre/escravo (master/slave), somente
um processador (mestre) pode executar serviços do SO, como por ex.,
realizar operações de I/O.
Sempre que um processador do tipo escravo precisar realizar uma
operação de I/O, terá de requisitar o serviço ao processador mestre.
Dependendo do volume de operações de entrada/saída destinadas aos
processadores escravos, o sistema pode se tornar ineficiente, devido ao
elevado número de interrupções que deverão ser tratadas pelo mestre.
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Sistema Assimétrico
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Sistema Simétrico
O multiprocessamento simétrico (Simmetric Multiprocessing-
SMP), ao contrário da organização mestre/escravo, implementa
a simetria dos processadores, ou seja, todos os processadores
realizam as mesmas funções. Apenas algumas poucas funções
ficam a cargo de um único processador, como, por exemplo, a
inicialiazação (boot) do sistema.
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Sistema simétrico
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No processamento simétrico, um programa pode ser executado
por qq processador, inclusive por vários processadores ao mesmo
tempo (paralelismo). Além disso, quando um processador falha, o
sistema continua em funcionamento sem nenhuma interferência
manual, porém com menor capacidade de computação.
Os sistemas simétricos são mais poderosos que os assimétricos,
permitindo um melhor balanceamento do processamento e das
operações de entrada/saída, apesar de sua implementação ser
bastante complexa.
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Os sistemas fracamente acoplados podem ser
divididos em Sistemas Operacionais de Rede e
Sistemas Operacionais Distribuidos.
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SO de rede
Em sistemas operacionais de rede (SOR), cada nó possui seu
próprio sistema operacional, além de um HW e SW que
possibilitam ao sistema ter acesso a outros componentes da
rede, compartilhando seus recursos.
Cada nó é totalmente independente do outro, podendo
inclusive possuir SO diferentes. Caso a conexão entre os nós
sofra qualquer problema, os sistemas podem continuar
operando normalmente, apesar de alguns recursos se tornarem
indisponíveis. Ex. Redes locais
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 49
SO DistribuidoEm sistemas distribuídos, cada componente da rede também
possui seu próprio SO, memória, processador e dispositivos. O
que define um sistema distribuído é a existência de um
relacionamento mais forte entre os seus componentes, onde
geralmente os SO são os mesmos. Para o usuário e suas
aplicações, é como se não existisse uma rede de computadores,
mas sim um único sistema centralizado.
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 50
SO Distribuido
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SO DistribuídoA grande vantagem desses sistemas é a possibilidade do
balanceamento de carga, ou seja, quando um programa é admitido
para execução, a carga de processamento de cada sistema é
avaliada e o processador mais livre é escolhido. Depois de aceito
para processamento, o programa é executado no mesmo
processador até o seu término. Também é possível o
compartilhamento de impressoras, discos e fitas,
independentemente do sistema em que a aplicação esteja sendo
processada. Este tipo de sistema distribuído é muitas vezes
chamado de cluster.
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 52
Suponha, por ex., uma configuração de 2 computadores (Comp 1
e Comp 2), formando um cluster. Qualquer usuário conectado ao
cluster poderá ter acesso aos dispositivos compartilhados, que
permitem a ele imprimir uma listagem ou copiar um arquivo.
Nesse tipo de configuração, se um dos sistemas falhar, o acesso
aos dispositivos não será interrompido.
Estes sistemas podem ser considerados como uma evolução dos
sist. fortemente acoplados, onde uma aplicação pode ser
executada por qualquer processador.
SO Distribuído
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SO Distribuído
Os sistemas distribuídos permitem que uma aplicação seja
dividida em diferentes partes (aplicações distribuídas), que
se comunicam através de linhas de comunicação, podendo
cada parte ser processada em um sistema independente.
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2 - Arquitetura de Sistemas Operacionais2 - Arquitetura de Sistemas Operacionais
ConcorrênciaConcorrência
●
● IntroduçãoIntrodução
● Interrupção e exceção
● Operações de E/S
● Buffering
● Spooling
● Reentrância
● Proteção do sistema
Concorrência● S.O. => Conjunto de rotinas que executam
concorrentemente de forma ordenada.● Possibilidade do processador executar
paralelamente instruções com operações de E/S.● Principio para sistemas multiprogramáveis.● Os monoprogramáveis deixavam processador,
memória e dispositivos de E/S ociosos => dedicado a uma tarefa.
Concorrência● Sistema monoprogramável x multiprogramável
2
(a ) Si ste m a M o n o p r o g ra m á ve ltem p o tem p o
E/ S E/ S
U C P U C Pl iv r e 11
1
(b ) Si stem a M u l t i p r o g r a m á ve l
Concorrência● Uma tarefa quando perde (uso) o processador
reveza com outra.● Quando ganha o direito a sua execução esta volta
no estado idêntico quando foi parada.● Um sistema multiprogramado possui um
throughput elevado, ou seja, tem uma vazão maior de suas tarefas num dado intervalo de tempo.
Interrupção e Exceção● Interrupção ou Exceção são desvios forçados no fluxo de
execução de tarefas devido a eventos.● Estes eventos são sinalizações de algum dispositivo ou
resultado da execução de alguma instrução.● Estes eventos tornam possível a concorrência.● Uma interrupção sempre é gerada por um evento externo ao
programa, independe de instruções● Uma interrupção faz o processador interromper o programa
para tratar o termino de determinada operação.
Interrupção e Exceção● Mecanismo de Interrupção e Exceção
Interrupção e Exceção● Existem dois métodos para tratamento de interrupções: vetor
de interrupção (que contém o endereço da rotina de tratamento) e o registrador de status (uma única rotina que trata conforme o tipo do evento ocorrido)
● Eventos assíncronos podem ocorrer múltiplas vezes simultaneamente, conforme o processador estas podem ser mascaráveis ou não, neste caso as interrupções deverão ter prioridades controladas por um controlador de pedidos de interrupção.
Interrupção e Exceção● Uma exceção é gerada pela execução de uma
instrução de um programa (divisão por 0, overflow).
● Evento síncrono gera exceção.● Evento assíncrono gera interrupção.● O tratamento de exceções se dá pelo próprio
programador.
Operações de E/S● Inicialmente instruções de E/S eram executadas
pelo próprio processador.● Com as interfaces (controladoras) liberou-se o
processador.● Com o controlador tinha-se duas maneiras : –E/S controlada por programa (testava até o termino da
tarefa) e
– através do polling (dado um intervalo de tempo verificava-se o termino da operação)
Operações de E/S● Controlador
M em ó r iaPr in cip a lU C P
C o n tr o la d o r
D i sp o si t i vo s d e E/ S
Operações de E/S● Com a interrupção a operação começava e o
termino gerava um evento assíncrono.● A técnica de DMA permite que os dispositivos de
E/S façam uso da memória principal sem a intervenção do processador (exceto no inicio e no final da transferência de dados, processador informa a posição de memória ao controlador)
● A área de memória da DMA e o buffer de E/S
Operações de E/S● Canal de E/S
M em ó r iaPr in cip a lU CP
C a n a l d e E/ S
Co n tr o la d o r
D i sp o sit ivo s d e E/ S
C o n tr o la d o r
D isp o sit ivo s d e E/ S
Buffering● Técnica de utilização de uma área na MP (buffer)
para transferência de dados entre os dispositivos de E/S e a MP
● Objetivo: desocupar UCP de Dispositivos de E/S liberando-a para ocupar com mais tarefas
●
● Operações de E/SM e m ó r iaPr in cip a l
U C P Bu f fe r
g r a v a çã o g r a v a çã o
l e i tu r a l e i tu r a
C o n tr o l a d o r
Spooling● Simultaneous Peripheral Operation On-Line● Base do sistema Batch● Redirecionar os Job’s para disco/fita● Utilizado para impressões.● Cria em disco um “buffer” => arquivo de spool● Desvincula o dispositivo de impressão do programa.●
● Técnica de Spooling●
Pr o g r a m a Im p r e sso r aA r q u ivod e Sp o o l
Sistem a O p er a cio n a lSistem a O p er a cio n a l
Reentrância● Capacidade de um código executável (código reentrante) ser
compartilhado por diversos usuários.● O programa existe uma única vez na MP.● Cada usuário possui uma área de dados.
M e m ó r ia Pr in ci p a l
có d i g o re e n t r a n te
á r ea d e d a d o s d o u su á r io A
u su á r io A u su á r io C
u su á r io B u su á r io D
á r ea d e d a d o s d o u su á r io B
á r ea d e d a d o s d o u su á r io C
á r ea d e d a d o s d o u su á r io D
Proteção● Cada usuário possui uma área na MP onde seus
dados e códigos estão armazenados.● O S.O. cuida para que violações não ocorram● O S.O. implementa mecanismos para permitir
acesso concorrente aos diversos recursos.
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 70
Atividade em dupla – 3 pontos
1 - Quais as principais razões para se estudar Sistemas Operacionais?
2 – Porque é útil para o software aplicativo que a máquina funcione em diversos níveis?
3 – Em que geração foram introduzidas as máquinas multiprocessamento? Quais suas características
4 – Quais as características de Sistemas Operacionais de Tempo Real? E o de tempo compartilhado? E o Batch?
5 - Quais os sistemas operacionais mais populares atualmente e quais suas características ?
Profª Teresinha Moreira de Magalhães 71
● 6 - Em que se baseia o conceito de concorrência e como deve ser implementada.
7 - Diferencie Interrupção de exceção e cite os casos em que elas podem ocorrer.
8 - Defina Reentrância, Buffering e spooling e exemplifique.
● OBS: Responder e anexar na plataforma