Aula_05 - Processo

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Arquitetura de Sistemas Operacionais – Machado/Maia
Cap. 5 – Processo
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Arquitetura de Sistemas Operacionais
Capítulo 5
Processo
Arquitetura de Sistemas Operacionais – Machado/Maia
Cap. 5 – Processo
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Sumário
Introdução
Estrutura do processo
Estados do processo
Mudanças de estado do processo
Criação e eliminação de processos
Processos independentes, subprocessos e threads
Processos foreground e background
Processos do sistema operacional
Processos CPU-bound e I/O-bound
Sinais
Arquitetura de Sistemas Operacionais – Machado/Maia
Cap. 5 – Processo
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Introdução
Como
O processador é projetado para executar instruções, sendo incapaz de identificar qual programa esta sendo executado;
A gerência do ambiente multiprogramável é função exclusiva do S.O;
Assim
Um programa deve estar associado a um processo.
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Introdução
O termo processo ganhou quase unanimidade, apesar de se usar tarefa ou job com o mesmo sentido;
A gerência de processos é uma das principais tarefas do S.O.;
Através de processos, um programa pode:
Alocar recursos;
Compartilhar dados;
Trocar informações;
Sincronizar a execução.
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Introdução
Em sistemas multiprogramavéis, os processos são executados concorrentemente, compartilhando recursos como: processador, memória e dispositivos de E/S;
Em ambientes multiprocessados, além do citado acima, existe a execução simultânea;
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Estrutura do Processo
Um processo, inicialmente, pode ser entendido como um programa em execução;
Em sistemas multiusuários é necessário manter informações sobre diversos programas que estão sendo executados concorrentemente;
Um sistema multiusuário cada usuário é associado a um processo;
O usuário tem a impressão que todos os recursos estão ao seu dispor;
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Estrutura do Processo
Mas não é verdade, o processador executa o programa do usuário em um intervalo de tempo, e no final deste intervalo executa outro programa;
Para trocar os programas sem problemas, é necessário armazenar todas as informações se retornar a execução do programa sem erros;
Todas as informações importantes e necessárias à execução do programa fazem parte do processo;
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Estrutura do Processo
A execução de um mesmo programa varia dependendo do processo no qual ele esta alocado (recursos disponíveis);
A falta de recursos pode impedir a execução de um programa;
Um processo é formado de três partes:
Contexto de hardware;
Contexto de software;
Espaço de endereçamento.
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Estrutura do Processo
Um processo pode ser definido como o ambiente onde um programa é executado;
Este ambiente contém:
Informações sobre a execução;
Quanto de recursos pode utilizar:
Espaço de endereçamento;
Tempo de processador;
Área em disco;
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Estrutura do Processo
Estrutura do processo
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Estrutura do Processo 
Contexto de hardware 
Contexto de hardware armazena:
Conteúdo dos registradores gerais (CPU);
Conteúdo dos registradores específicos:
Program counter (PC);
Stack pointer (SP);
Registrador de status.
Quando o processo perde a utilização da CPU, o sistema salva estas informações do contexto de hardware do processo;
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Estrutura do Processo 
Contexto de hardware
Este contexto é fundamental em sistemas multiprogramavéis, onde processos revezam a utilização da CPU;
A troca de processos executada pelo S.O. é chamada de mudança de contexto;
A mudança de contexto consiste em salvar o conteúdo dos registradores do processo que esta deixando a CPU e carregá-los com os valores referentes ao novo processo;
Esta operação resume-se em substituir o contexto de hardware de um processo pelo outro;
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Estrutura do Processo 
Contexto de hardware
Mudança de contexto
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Estrutura do Processo 
Contexto de software
No Contexto de software são especificadas as características e limites dos recursos que podem ser alocados ao processo, como:
Número máximo de arquivos abertos simultaneamente;
Prioridade da execução;
Tamanho dos buffers para E/S;
Muitas destas características são definidas na criação do processo, outras podem ser alteradas depois da criação; 
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Estrutura do Processo 
Contexto de software
Grande parte das informações deste contexto estão em um arquivo do S.O. chamado de arquivo de contas;
Esta arquivo, gerenciado pelo administrador de sistema, especifica os limites dos recursos que os processos podem alocar;
Outras informações são geradas dinamicamente durante a execução do processo;
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Contexto de software
O contexto de software é formado por três grupos de informações sobre o processo:
Identificação;
Quotas;
Privilégios.
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Contexto de software
Identificação
Cada processo recebe um número único de identificação (PID – process identification)
Esta identificação é usada pelo S.O. ou outro processo para referenciar, consultar o contexto ou alterar as características do processo identificado;
Alguns S.O. utilizam também o nome
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Contexto de software
Identificação:
O processo também possui a identificação do usuário que o criou (UID – user identification), atribuída na hora da criação;
UID permite criar um modelo de segurança, onde apenas os objetos (processos, arquivos, áreas de memória) que possuem a mesma UID do usuário (processo) podem ser acessados;
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Estrutura do Processo 
Contexto de software
Quotas
Quotas são os limites de cada recurso que um processo pode alocar;
Se a quota for insuficiente:
Processo é executado lentamente;
Interronpido;
Não ser executado.
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Contexto de software
Quotas
Alguns exemplos:
Número máximo de arquivos abertos simultaneamente;
Tamanho máximo de memória principal e secundária;
Número máximo de operações de E/S pendentes;
Tamanho máximo do buffer para E/S
Número máximo de processos, subprocessos e threads.
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Estrutura do Processo 
Contexto de software
Privilégios
Os privilégios ou direitos definem as ações que um processo pode fazer em relação a ele mesmo, aos demais processos e o S.O.
Direitos que afetam o próprio processo permite alterar as suas características como
Privilégio de execução;
Limites alocados na memória principal e secundária;
Etc.
Direitos que afetam os demais processos permitem alterar as características de outros processos
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Contexto de software
Privilégios
Direitos que afetam o S.O. são mais amplos e poderosos, relacionados com gerência e operação do S.O., como:
Desativação do sistema;
Alteração das regras de segurança;
Criação de outros processos privilegiados;
Modificação de parâmetros de configuração de sistema.
A maioria dos S.O. possui uma conta com todos os direitos:
Root no Unix, Linux;
administrator no Windows (inglês)
System no OpenVMS.
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Estrutura do Processo 
Contexto de software
Espaço de endereçamento
É a área de memória pertencente ao processo onde as instruções e os dados são armazenados;
Cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento que deve ser protegido;
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Espaço de Endereçamento
Estrutura de um processo
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Bloco de Controle do Processo
O S.O implementa o processo através de uma estrutura de dados nomeado por bloco de controle do processo (Process Control Block – PCB);
O S.O. utiliza o PCB para manter todas as informações sobre o contexto de hardware e software mais o espaço de endereçamento;
Os PCBs de todos os processos ficam na memória principal em uma área reservada para o S.O.
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Bloco de Controle do Processo
O tamanho da área dos PCBs é definida por um parâmetro do S.O. (número máximo de processos simultâneos); 
Toda a gerência é realizada através de system calls, que realizam as seguintes tarefas nos processos:
Criação, alteração de características;
Visualização;
Eliminação;
Sincronização;
Suspensão;
Etc.
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Bloco de Controle do Processo
PCB
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Estados do Processo
Em um sistema multiprogramavél tem de existir um compartilhamento da CPU;
Assim os processos podem estar em diferentes estados, em função de eventos do S.O ou do próprio processo;
Um processo ativo pode estar nos seguintes estados:
Execução (running)
Pronto (ready)
Espera (wait)
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Estados do Processo
Execução (running)
Um processo esta no estado execução quando esta sendo processado pela CPU;
Em ambientes monoprocessados apenas um processo pode estar este estado;
Os processos se alteram na utilização da CPU seguindo uma política estabelecida pelo S.O.;
Em ambientes multiprocessados, mais de um processo pode estar no estado execução e o mesmo processo pode ser executado simultaneamente em mais de uma CPU(processamento paralelo)
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Estados do Processo
Pronto (ready)
Um processo esta no estado pronto quando aguarda pelo processador para ser executado;
O S.O. é responsável para determinar a ordem e os critérios que serão usados para determinar qual processo passar para o estado execução. Este mecanismo é chamado de escalonamento;
Normalmente existem vários processos no estado pronto, que são organizados em listas encadeadas;
Os processos devem ser ordenados pela sua prioridade;
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Estados do Processo
Espera (wait)
Um processo está no estado de espera quando está aguardando por algum evento externo ou recurso.Por exemplo:
Término de operação de E/S;
Espera de uma data e/ou hora para continuar a operação;
É chamado, também, de bloqueado (blocked);
O S.O, também, organiza os processos em listas encadeadas;
Em geral, os processos são separados em listas associadas a cada tipo de evento, assim quando o evento ocorre todos os processos são transferidos para o estado pronto
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Estados do Processo
Lista de PCBs
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Mudanças de Estado
Um processo pode mudar de estado:
Eventos voluntários – eventos originados pelo próprio processo;
Eventos involuntários – eventos gerados pelo sistema operacional;
Basicamente existem quatro tipos de mudanças de estado:
Pronto -> execução;
Execução -> espera;
Espera -> pronto;
Execução -> pronto.
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Mudanças de Estado
Pronto -> execução
Após a criação do processo, o sistema o coloca na lista de processos no estado pronto;
Cada S.O. tem seus próprios critérios a algoritmos para a escolha da ordem de execução dos processos (política de escalonamento)
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Mudanças de Estado
Execução -> espera
Um processo muda de execução para espera:
Por eventos gerados pelo próprio processo, voluntários(E/S);
Por eventos externos, involuntários (término da fatia de tempo).
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Mudanças de Estado
Espera -> pronto
O processo muda de estado quando a operação solicitada é atendida;
Um processo sempre passa pelo estado pronto antes de ir ao estado de execução;
Não existe mudança do estado espera para execução diretamente (letra c)
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Mudanças de Estado
Execução -> pronto
Um processo muda de execução para pronto, por eventos gerados pelo S.O., como fim da fatia de tempo.
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Mudanças de Estado
Mudanças de estado do processo
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Mudanças de Estado
Um processo (pronto ou espera) pode não estar na memória principal;
Isto ocorre quando não existe espaço na memória e parte do contexto do processos é levado para a memória secundária;
Swapping é uma técnica usada para retirar processos da memória principal e trazê-los de volta, segundo critérios do S.O.
Assim os processos (pronto ou espera) podem estar residentes ou não residentes na memória principal.
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Mudanças de Estado
Mudanças de estado do processo (2)
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Criação e Eliminação
Processos são criados e eliminados;
A criação ocorre quando o S.O. adiciona um novo PCB e aloca espaço de endereçamento;
Após a criação do PCB o S.O. reconhece a existência do processo, podendo gerenciá-lo;
Na eliminação de processo, todos os recursos associados ao processo são liberados e o PCB é eliminanado.
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Criação e Eliminação
Além dos três estados citados (execução, pronto e espera) a maioria dos S.O. cria mais dois estados para a criação e eliminação de processos;
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Criação e Eliminação
Criação (new) 
um processo está neste estado quando o S.O. já criou o PCB, mas não colocou na lista dos processos prontos;
Alguns S.O. limitam o número de processos no estado de pronto em função dos recursos ou por questões de desempenho, assim alguns processos podem ficar mantidos no estado de criação;
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Criação e Eliminação
Razões para criação de processos:
Logon interativo: um processo é criado através de uma sessão interativa;
Criação por outro processo: um processo existente pode criar outros processos, sendo que estes novos processos podem ser independentes ou subprocessos;
Criação pelo sistema operacional: o S.O. pode criar novos processos para oferecer novos serviços.
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Criação e Eliminação
Terminado (exit)
Um processo esta neste estado quando não poderá ter mais nenhum programa executado em seu contexto,
mas o S.O. ainda dispõe das informações de controle presente na memória;
Não é mais considerado pronto, mas o PCB ainda existe, possibilitando recuperar informações sobre a contabilização de uso de recursos;
Após recuperar as informações o processo pode deixar de existir;
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Criação e Eliminação
Razões para o término de processos:
Término normal de execução;
Eliminação por outro processo;
Eliminação forçada por ausência de recursos disponíveis no sistema.
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Criação e Eliminação
Mudanças de estado do processo (3)
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
Processos Independentes, Subprocessos e Threads são maneiras diferentes de implementar a concorrência dentro de uma aplicação;
Busca-se dividir o código em partes de forma que trabalhem de forma cooperativa;
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
Processos independentes é a maneira mais simples de implementar a concorrência em sistemas multiprogramáveis, não existindo vínculo do processo criado com o criador;
A criação de um processo independente exige a alocação de um PCB, possuindo contexto de hardware, de software e espaço de endereçamento próprio;
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
Subprocessos são processos criados dentro de uma estrutura hierarquia;
O processo criador é o processo pai e o criado é o subprocesso ou processo filho;
O subprocesso pode criar outras estruturas de subprocessos;
Caso o processo pai deixe de existir os processos filhos deixaram de existir também;
Os subprocessos possuem seu próprio PCB;
Os subprocessos podem compartilhar quotas com o processo pai, neste caso, o pai cede parte da sua quota aos filho;
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
Estrutura de processos e subprocessos
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
O uso de processos independentes e subprocessos demanda consumo de diversos recursos do sistema;
Sempre que um novo processo é criado o S.O. deve alocar recursos, consumindo tempo de CPU;
Quando um processo termina, o S.O. gasta tempo para desalocar os recursos;
A comunicação e sincronização entre processos é pouco eficiente, tendo em vista cada processo possui seu próprio espaço de endereçamento;
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
Thread foi introduzido tentar reduzir o tempo gasto com a criação, eliminação e troca de contexto de processos em aplicações concorrentes;
Também tenta economizar recursos do sistema como um todo;
Em um ambiente multithread um único processo pode suportar múltiplos threads, cada um relacionado a uma parte do código da aplicação;
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads
Neste caso não é necessário haver diversos processos para implementar a concorrência;
Threads compartilham o processador da mesma forma que os processos, ou seja, enquanto um thread espera por uma E/S, outro pode ser executado;
Cada thread possui seu próprio contexto de hardware, mas compartilha o contexto de software e espaço de endereçamento;
Este compartilhamento de endereço permite que a comunicação entre threads de um mesmo processo seja mais rápida e simples;
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Processos Independentes, Subprocessos e Threads 
Processo multithread
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Processos Foreground e Background
Um processo possui pelo menos dois canais de comunicação:
Canais de entrada;
Canais de saída;
Estes canais podem estar associados a terminais, arquivos, impressoras, ou até mesmo outro processos;
Um processo pode ser:
Foreground;
Background.
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Processos Foreground e Background
Processo foreground:
É aquele que permite a comunicação entre o processo e o usuário diretamente;
O canal de entrada e saída estão associados a um terminal com teclado, mouse e monitor;
O processamento interativo tem como base processos foreground;
Processo background:
É aquele onde não existe a comunicação com o usuário durante o seu processamento;
Os canais de E/S não estão associados a nenhum dispositivo de E/S interativo, mas, geralmente a arquivos;
O processamento BATCH utiliza processos background.
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Processos Foreground e Background
Processos foreground e background
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Processos Foreground e Background
É possível associar um canal de saída de um processo com o canal de entrada de outro, isto é chamado de pipe;
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Processo Foreground e Background
Pipe
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Processo Foreground e Background
Exemplos de pipe em Windows:
dir > list.txt
dir >> list.txt
sort < names.txt > list.txt
dir | sort
dir | sort > c:\temp\list.txt
dir | sort | more
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Processos do Sistema
O conceito de processo pode ser implementado, também, na própria arquitetura do S.O.;
A arquitetura de microkernel implementa este conceito para disponibilizar serviços para processos de aplicações e do próprio S.O.;
Quando processos implementam serviços do sistema retira-se código do núcleo, tornando-o menor e mais estável;
Caso não se deseja algum serviço basta não ativá-lo, liberando memória para os processos do usuário;
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Processos do Sistema
Serviços que podem ser implementados através de processos:
Auditoria e segurança;
Serviços de rede;
Contabilização do uso de recursos;
Contabilização de erros;
Gerência de impressão;
Gerência de jobs batch;
Temporização;
Comunicação de eventos;
Interface de comandos (shell).
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Processos CPU e IO Bound
Os processos podem ser classificados:
CPU –bound;
I/O-bound.
Um processo é definido com CPU-bound(ligado a CPU) quando passa a maior parte do tempo no estado de execução (utilizando a CPU);
Um processo é definido com I/O-bound(ligado a E/S) quando passa a maior parte do tempo no estado de espera (utilizando a E/S);
Os processos interativos são bons exemplos de processos I/O-bound, pois normalmente a comunicação é feita por terminais (lenta)
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Processos CPU e IO Bound
Processos CPU x IO Bound
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Sinais
Sinais são um mecanismo que permite modificar processos de eventos gerados pelo S.O. ou por outros processos;
O seu uso é fundamental para a gerencia de processos, além de permitir a comunicação e a sincronização entre processos;
O crtl-C é um exemplo de sinais;
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Sinais
Uso de sinais
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Sinais
Sinais podem ser usados em conjunto com temporizadores para informar ao processo eventos relacionados ao tempo;
A maioria dos eventos associados aos sinais são gerados pelo S.O., ou pelo hardware – exceções, interrupções, limites de quotas excedidos, alarmes de tempos;
Em outras situações, os eventos são gerados a partir de outros processos com o intuito de sincronização;
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Sinais
Geração de um sinal:
Evento síncrono ou assíncrono ocorre;
O S.O. notifica o processo através dos bits sinalização localizados no PCB.
Um processo não responde imediatamente a um sinal;
Os sinais ficam pendentes até que o processo seja escalonado;
Caso, por exemplo, seja selecionado a eliminação do processo, esta tarefa só será realizada quando o processo for selecionado para execução; 
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síncrono
O tratamento de sinal é muito semelhante ao mecanismo de interrupções;
Quando um sinal é tratado, salva-se o contexto, e a execução é desviada (signal handler), geralmente no núcleo do S.O.
Após tratar o sinal, a execução retorna ao ponto onde foi interrompido;
Em alguns casos o próprio processo pode tratar o sinal;
O processo pode bloquear temporariamente, ou até mesmo ignorar por completo alguns sinais;
O sinal está para o processo assim como as interrupções e exceções estão para o S.O.; 
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Sinais
Sinais, interrupções e exceções