Aula de C C

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Unidade 1-2
 
Processos e Threads 
 
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O que é um Processo
 Um processo é uma atividade (ou tarefa) de um programa, que contém o código e dados de uma atividade. 
Essas são: leitura de dados, escrita de dados, cálculos no processador, comunicação com o usuário, comunicação com um BD, comunicação com a rede interna ou externa, entre outras. 
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Processos
Um trecho de código em execução em uma máquina.
É a unidade de processamento concorrente que um processador sob um SO pode processar.
 Identificado pelo seu PID (Process Identifier).
Unix (anos 70) foi construído para executar processos. 
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Problema com Processos
Nos anos 80, foi descoberto que a noção tradicional de um sistema operacional, de um processo que executa um único fluxo de execução, era diferente dos requisitos dos sistemas operacionais distribuídos. 
Solaris (anos 90), originalmente, utiliza processos.
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Problema com Processos
E também, diferente dos requisitos dos aplicativos mais sofisticados que utilizam um único processador, mas que exigem concorrência de suas atividades internas.
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Solução para o Processamento Concorrente
Aprimorar a noção de processo, para que ele pudesse ser associado a múltiplas atividades internas a ele.
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Processo
Um processo é uma entidade a nível de kernel, que possui um espaço de endereçamento.
O único modo para seu programa acessar a dados na estrutura (contexto) de um processo, consultar ou mudar seu estado, é via uma chamada de sistema.
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Contexto de um Processo 
Um identificador do processo (PID).
Um segmento de código.
Um segmento de dados.
Os valores dos registradores da CPU.
Um contador de programa lógico.
Uma pilha de execução.
O estado do processo.
Informações para escalonamento (prioridade, tempo)
Dados para contabilização de uso.
Recursos alocados: arquivos, portas, eventos, outros.
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Surgimento de Threads
Com o surgimento de processadores de mais alto desempenho, uma nova unidade de processamento concorrente pode ser definida dentro do próprio processo, novos fluxos de execução e assim pode-se ter múltiplos fluxos de execução (múltiplas threads) num mesmo processo.
 
Cada fluxo de execução é chamada Thread.
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Threads
Atualmente, um processo consiste em um ambiente de execução, contendo uma ou mais threads.
Thread: unidade de processamento concorrente nos sistemas operacionais atuais, dentro de um processo.
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Contexto de uma Thread
Um identificador da Thread.
Um segmento de código.
Um segmento de dados.
Os valores dos registradores da CPU.
O contador de programa.
Uma pilha de execução.
O estado da Thread.
Informações para escalonamento (prioridade, ...)
Dados para contabilização de uso.
Recursos alocados que pertencem a processos: arquivos, portas, eventos, outros.
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Threads
Definição:
Threads (linhas de execução) são atividades (tarefas internas) concorrentes executadas dentro de um processo.
Um processo pode ter uma ou mais threads.
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Multithreading
 Múltiplas threads executam concorrentemente em um processo, e é análogo a múltiplos processos executando concorrentemente em um único processador.
Threads pertencentes a um mesmo processo, compartilham os mesmos recursos e memória (espaço de endereçamento) do processo.
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Multithreading
Suporte a Threads:
Threads nativas do SO (entidades a nível de kernel).
Threads como entidades a nível do usuário.
Suporte de programação multithreading. Exemplo: JVM do Java
Linguagem de programação multithreading. Exemplo: Java
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Três Processos - cada um com 
uma Thread
Cada thread tem seu espaço de endereçamento.
Contador de Programa
Thread
Processo
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Um Processo com três Threads
Todas num mesmo espaço de endereçamento.
Multiplas Threads
Processo
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Processos e Threads 
Um confeiteiro. 
O confeiteiro é o processador.
Um Livro de Receitas é um processo.
Uma receita corresponde a uma Thread.
Fazer um bolo de aniversário.
Ingredientes: farinha, ovos, açucar, ...
Os ingredientes são os dados.
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Processo e Thread
O processo é a atividade que consiste em nosso confeiteiro ler a receita (Thread), buscar os ingredientes (Thread), bater o bolo (Thread) e cozinhar o mesmo (Thread).
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Alternando para outro processo
Confeiteiro, Filho do confeiteiro, Abelha
Ferrada da abelha no filho do confeiteiro.
Confeiteiro precisa socorrer o filho.
O confeiterio registra onde estava na receita (o estado e o contexto do processo são salvos).
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Alternando para outro processo
Confeiteiro procura um livro de pronto-socorro (outro processo).
 
Segue a orientações do livro.
O Confeiteiro alterna do processo (Livro de Receitas para Fazer o Bolo) para outro, de prioridade mais alta (Livro de Pronto Socorro), cada um sendo um processo diferente (receita e livro).
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Processo “Livro de Pronto Socorro”
Threads ???
Ler o procedimento médico
Desinfetar o local da picada
Colocar curativo
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Processo é uma atividade
Quando a picada for tratada, o confeiteiro volta a fazer o seu bolo, continuando do ponto onde parou, quando abandonou o processo (Fazer o Bolo).
A ideia é que processo é um tipo de atividade que é concorrente a outros processos.
E em cada atividade (Livro de Receitas / Livro Pronto-Socorro) existem tarefas, para “Fazer um Bolo” ou “Um Atendimento Médico”, que correspondem às threads. 
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Escalonamento de Threads
Todo SO tem um programa chamado Scheduler (o escalonador do SO) que seleciona, num dado instante, uma thread que deve ser executada pelo processador, alternando este entre threads.
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Algoritmo de Escalonamento
Define a ordem de execução de processos/ threads com
 base em uma fila ou prioridade da thread.
Processos/Threads do sistema SO e de aplicações críticas exigem maior prioridade.
Em geral, os sistemas operacionais adotam uma política para atender a todas os processos/threads de maneira justa .
 
 
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Escalonamento por Time-Slicing
Fracionamento de tempo do processador.
Divide o tempo do processador entre threads de igual prioridade.
Implementado por um Timer (hardware) o qual interrompe o processamento periodicamente, para permitir o scheduler buscar uma outra thread para executar.
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Escalonamento Time-Slicing
Por Processo: escalonador aloca tempo para
 execução dos processos, os quais definem como
 usar este tempo para executar suas threads.
 P1 P2 P3
 t11 t12 t21 t22 t23 t31 t32
Por Thread: escalonador aloca tempo e define a ordem na qual as threads serão executadas.
 t11 t31 t21 t32 t23 t12 t22 t16
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Escalonamento Pre-Emptivo
Baseado nas prioridades dos processos/threads.
Deve ser implementado para garantir que um processo/thread de alta prioridade possa executar logo que torna-se pronto, mesmo que signifique suspender a execução de um processo de mais baixa prioridade.
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Ciclo de Vida de um Processo/Thread
Criado
Pronto
Rodando
Morto
Suspenso
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Estados de um Processo/Thread
Pronto: pronto para ser executado,
 mas sem o direito de usar o processador.
Rodando: sendo executado pelo processador.
Suspenso: aguarda operação de I/O, liberação
 de um recurso ou fim de tempo de 
 espera em uma fila.
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Estado Suspenso
Dormindo – em espera temporizada.
Bloqueado – aguarda I/O.
Em Espera - aguarda uma condição ser satisfeita. 
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Mudança de Estado de um Processo
Processos/Threads trocam de estado de acordo com o:
Algoritmo de escalonamento.
Troca de mensagens entre esses.
Interrupções de hardware ou software.
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Threads
Da mesma forma que os processos.
Cada thread tem seu estado e segue um
 ciclo de vida particular.
A vida da thread depende do seu processo.
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Troca de Contexto
Quando duas threads de um mesmo processo
 se alternam no uso do processador, ocorre
 uma troca de contexto parcial.
Numa troca parcial, o contador de programa,
 os registradores e a pilha devem ser salvos.
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Processos x Threads
Troca de Contexto: Completa | Parcial
Comunicação: Inter-Processo | Inter-Threads
Suporte em S.O.’s: Quase todos | Os mais atuais
Suporte em Linguagem de Programação: Quase todas | As mais recentes