Material para Estudo SO

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Revisão para a AV1
Definição
Classificação
Conceitos: concorrência, interrupção
Arquitetura do SO
 
Definição de SO
● Abstração e Gerenciamento
● Conceito Topdown – visão do usuário
● Conceito Bottom-up – gerenciador de recursos
 
O que um SO precisa gerenciar?
● Processos
● Hardware / dispositivos
● Memória
● Processador
● Sistemas de arquivos
 
Revisão: classificação de SO
 
Sistemas com múltiplos processadores
 
 
 
Sequência de execução e desvio
 
Interrupções 
● Programas têm suas instruções executadas pelos processador de 
forma sequencial.
● Até que algum evento externo cause um desvio na sequência de 
execução.
● Eventos externos são princ. gerados por dispositivos de hardware.
● Eventos internos são chamados de exceções. 
● Os dados são guardados em registradores para a retomada a 
interrupção.
● Rotina de tratamento de interrupção.
● Otimiza a comunicação dos dispositivos com a CPU
 
Interrupção sequencial
 
Interrupção em cascata
 
Concorrência
● É possibilitada para utilização de interrupções
● Vários programas são carregados na memória a espera 
da sua utilização do processador
● Otimização do tempo do processador
● O controle do acesso concorrente a diversos recursos é 
implementado por mecanismos de proteção do SO para 
garantir a integridade
 
Diferença entre SO e demais programas
● Programas são executados sequencialmente
– Tem início, meio e fim.
– São passíveis de interrupções
● Funciona com base em rotinas que servem:
– Os usuários
– Os programas 
– E as demais rotinas do SO
● A esse conjunto de rotinas damos o nome de kernel
 
Modos de acesso
● Servem para proteger o acesso ao kernel
– Evitando a execução de instruções indevidas
● Modo usuário
● O usuário e as aplicações não têm permissão para 
executar instruções privilegiadas.
● Modo Kernel
● O usuário e as aplicações podem executar instruções 
privilegiadas.
 
System Calls
● São chamadas às rotinas do kernel
● Mecanismos de acesso aos serviços oferecidos pelo kernel
– Por parte dos usuários ou aplicações
– Mudança do modo usuário para modo kernel
● Serve como intermediário entre as aplicações do usuário e o SO
– garantindo a segurança do sistema
● O serviço é processado com bases nos parâmetros definidos na 
System Call
– e retorna à aplicação os resultados obtidos.
 
Linguagem de comando / Shell
● Linguagem de controle
– Maneira mais simples do usuário se comunicar com o 
SO
– Ações:
● Criar, ler, organizar e deletar arquivos
● Criar, consultar e deletar diretórios
● Atualizar e instalar aplicativos
● Interpretador de comandos
– Verifica, interpreta e executa
 
Esquema de kernel monolítico
 
Esquema do kernel micro-núcleo
 
Em camadas
● A camada mais baixa realiza a interface com o hardware
● As camadas intermediárias proveem níveis mais altos de 
abstração e gerência
● A camada superior faz a interface entre núcleo e 
aplicações
 
Em camadas
● (+) Estrutura bem organizada 
● (+) Baseada no modelo de referência OSI (Open Systems 
Interconnection)
● (-) O empilhamento aumenta o tempo de comunicação 
entre camadas e dispositivos periféricos ou recursos.
● (-) Dificuldade de dividir as funcionalidades devido as suas 
interligações
 
Em camadas
● A camada mais baixa realiza a interface com o hardware
● As camadas intermediárias proveem níveis mais altos de 
abstração e gerência
● A camada superior faz a interface entre núcleo e 
aplicações
 
Em camadas
● (+) Estrutura bem organizada 
● (+) Baseada no modelo de referência OSI (Open Systems 
Interconnection)
● (-) O empilhamento aumenta o tempo de comunicação 
entre camadas e dispositivos periféricos ou recursos.
● (-) Dificuldade de dividir as funcionalidades devido as suas 
interligações
 
Núcleo do Linux
● Linus Torvalds
– Estudante de Ciência da Computação da Univ. de Helsinki – 
Finlândia
● Colaboração de vários programadores voluntários via Usenet em 1991 
(21 anos)
● Baseado em Minix
– Desenvolvido pelo prof. Andrew S. Tanenbaum baseado em UNIX, 
http://www.cs.vu.nl/~ast/, Amsterdã
● GPLv2, marca registrada, Tux
● Debate Tanenbaum – Torvalds
– 1992, micro x mono, portabilidade, segurança
 
 
Programas x Processos
● Programa é algo estático
– São formados por sequências de comandos e 
instruções 
– Não têm a possibilidade de alterar o seu estado. 
● Processo é um programa em execução
– Executam os comandos dos programas
– São dinâmicos: processos podem sofrer alterações
 
Classificação de processos
● Interativos (Foreground)
● Batch (Backgound)
● Daemons
● Processo CPU-Bound
● Processo I/O-Bound
 
Diagrama de mudança de estado
 
Estrutura do processo
 
Contexto de hardware
 
Contexto de software
1. Quotas
2. Privilégios 
3. Identificação
 
Processos x Threads
● Processos gerenciam/agrupam 
recursos associados:
– área de endereçamento
– dados e recursos, como 
arquivos abertos, processos 
filhos, sinais, variáveis 
globais, etc.
● São mais independentes entre si
● Há muita competição
– Podem pertencer a usuários 
diferentes
● Threads são responsáveis 
pela execução.
● Compartilham todos os 
recursos dos processo.
● Não há proteção entre 
threads
– Há cooperação e não 
competição.
● Otimização e paralelismo 
entre as tarefas
 
Exercício em equipes
Processos x Threads
● O uso de processos em programas concorrentes gera 
otimização de tempo de uso de CPU porque podemos 
alterná-los em processamento e separá-los das atividades 
de E/S.
– Uma vez, que esta otimização já é proposta pelos 
processos, qual são as vantagens do uso de threads 
em relação ao uso de processos?
 
Comunicação entre processos
● Necessário para que haja “cooperação” entre os 
processos concorrentes
● Situações:
1. Um processo deve passar informações para outro
2. Evitar atividades críticas nas quais um processo invade 
o outro
3. Sequência adequada em caso de dependência
• Casos 2 e 3 também se aplicam aos threads
 
Mecanismos de comunicação
● No caso de processos em memória compartilhada:
– Uso de variável compartilhada na memória principal
– Uso de arquivo compartilhado
● No caso de não haver memória compartilhada:
– Uso de mensagens
 
Sincronização
● Necessário devido ao uso de compartilhamento de 
memória, E/S pelos processos e arquivos
– Pode acarretar em inconsistências
– Servem para ordenar a execução dos processos
● Condições de corrida/disputa
● Região crítica
 
Soluções para sincronização
● Resolvem o problema da exclusão mútua ao acesso à 
região crítica
● Garantem as condições de não-disputa
– Por software
– Por hardware
– Semáforos
– Monitores 
– Troca de mensagens
 
Mecanismos para evitar condição 
de corrida
● Exclusão mútua com espera ociosa / ativa
● Exclusão mútua sem espera ociosa 
– Dormir e acordar
 
1. Exclusão Mútua com espera ociosa
1. Desabilitando interrupções
1. Sincronismo por hardware
2. Técnica que deve ser usada apenas pelo SO e não por P de usuários
2. Varáveis de impedimento (lock variables)
1. Sincronismo por software
3. Alternância obrigatória
1. Spin lock
4. Solução de Peterson
5. Instrução TSL
● Nesses 5 casos, quando um processo estiver em sua RC, nenhum outro 
processo invadirá a RC do primeiro.
 
Problemas da espera ociosa
● Starvation
● Prioridade invertida
 
2. Dormir e acordar
● Invés de entrar em loop infinito, há o bloqueio do processo 
que aguarda para entrar na RC● Um processo nessa condição chama sleep para dormir
● Até que outro processo chame 
– wakeup (processo a ser acordado)
● Uso de semáforos
● Problema da consumidor-produdor
 
Sincronização condicional utilizando 
semáforos
● Além de permitir a implementação de exclusão mútua, os 
semáforos também podem ser utilizados para 
sincronização condicional entre processos, 
– em que um processo precisa de um resultados de 
outro processo para que possa continuar sua 
execução.
– Ex: problema do produtor-consumidor
 
Condições para o Deadlock
● Para que exista o deadlock é necessário que ocorram 4 
condições simultaneamente:
– 1. Exclusão mútua
● Acesso exclusivo a um recurso
– 2. Espera por recursos
● Hardware ou informação; entre máquinas
● Só pode ser usado por um P em um instante
 
Condições para o Deadlock
● 3. Não preempção
– Recurso q não pode ser retirado do P proprietário sem 
que haja falha
– Ex: gravação de um CD
– Preemptivo
● Ex: memória
● 4. Espera circular
– Cada P espera um recurso que está com o outro P 
também em espera
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