Sistemas Operacionais I

1. Sistemas Operacionais I

2. Processos e Threads Capítulo 2 2.1 Processos 2.2 Threads 2.3 Comunicação interprocesso 2.4 Problemas clássicos de IPC 2.5 Escalonamento

3. 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)

4. Criação de Processos Principais eventos que levam à criação de processos Início do sistema Execução de chamada ao sistema para criação de processos por um processo em execução Solicitação do usuário para criar um novo processo Início de um job em lote

5. Término de Processos Condições que levam ao término de processos Saída normal (voluntária) Saída por erro (voluntária) Erro fatal (involuntário) Cancelamento por um outro processo (involuntário)

6. 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

7. Estados de Processos (1) Possíveis estados de processos em execução bloqueado pronto Mostradas as transições entre os estados

8. Estados de Processos (2) Camada mais inferior de um SO estruturado por processos trata interrupções, escalonamento Acima daquela camada estão os processos sequenciais

9. Implementação de Processos (1) Campos da entrada de uma tabela de processos

10. Implementação de Processos (2) Esqueleto do que o nível mais baixo do SO faz quando ocorre uma interrupção

11. 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.

12. ThreadsO Modelo de Thread (1) Três processos cada um com um thread (b) Um processo com três threads

13. O Modelo de Thread (2) Items compartilhados por todos os threads em um processo Itens privativos de cada thread

14. O Modelo de Thread (3) Cada thread tem sua própria pilha

15. 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)

16. Uso de Thread – exemplo 1 Um processador de texto com três threads

17. Uso de Thread – exemplo 2 Um servidor web com múltiplos threads

18. Uso de Thread – exemplo 2 (cont.) Código simplificado do slide anterior Thread despachante Thread operário

19. Uso de Thread Três maneiras de construir um servidor

20. Implementação de Threads de Usuário Um pacote de threads de usuário

21. 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

22. Implementação de Threads de Núcleo Um pacote de threads gerenciado pelo núcleo

23. Implementações Híbridas Multiplexação de threads de usuário sobre threads de núcleo

24. 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)

25. Threads Pop-Up (não) Criação de um novo thread quando chega uma mensagem (a) antes da mensagem chegar (b) depois da mensagem chegar

26. Convertendo Código Monothread em Código Multithread (1) (não) Conflitos entre threads sobre o uso de uma variável global

27. Convertendo Código Monothreadem Código Multithread (2) (não) Threads podem ter variáveis globais privadas

28. Comunicação InterprocessoCondições de Disputa Dois processos querem ter acesso simultaneamente à memória compartilhada

29. Regiões Críticas (1) Quatro condições necessárias para prover exclusão mútua: Nunca dois processos podem estar simultaneamente em suas regiões críticas Nada pode ser afirmado sobre velocidades ou números de CPUs Nenhum processo executando fora de sua região crítica pode bloquear outros processos Nenhum processo deve esperar eternamente para entrar em sua região crítica

30. Regiões Críticas (2) Exclusão mútua usando regiões críticas

31. 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

32. 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)

33. Exclusão Mútua com Espera Ociosa / Busy Waiting(1) Solução de alternância obrigatória para o problema da região crítica (a) Processo 0. (b) Processo 1.

34. Exclusão Mútua com Espera Ociosa (2) Solução de Peterson para implementar exclusão mútua

35. Exclusão Mútua com Espera Ociosa (3) Entrando e saindo de uma região crítica usando a instrução TSL

36. 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

37. Primitivas de comunicação interprocessos: Dormir e Acordar Problema do produtor-consumidor com uma condição de disputa fatal

38. 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

39. 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. Semáforos O problema do produtor-consumidor usando semáforos

41. 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. Mutexes (2) Implementação de mutex_lock e mutex_unlock

43. Monitores (1) Exemplo de um monitor

44. 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. Monitores (3) Solução para o problema do produtor-consumidor em Java

46. Monitores (4) Solução para o problema do produtor-consumidor em Java (parte 2)

47. Troca de Mensagens O problema do produtor-consumidor com N mensagens

48. Barreiras Uso de uma barreira processos se aproximando de uma barreira todos os processos, exceto um, bloqueados pela barreira último processo chega, todos passam

49. Jantar dos Filósofos (1) Filósofos comem/pensam Cada um precisa de 2 garfos para comer Pega um garfo por vez Como prevenir deadlock

50. Jantar dos Filósofos (2) Uma solução errada para o problema do jantar dos filósofos