Unidad 3

"ADMINISTRACION DEL PROCESADOR"
El sistema operativo administra la distribución del procesador entre los distintos programas por medio de un algoritmo de programación. El tipo de programador depende completamente del sistema operativo, según el objetivo deseado.

3.1 PLANEACIÓN DE TRABAJOS DE (JOB SCHEDULING)

Cuando hay más de un proceso que está en condiciones de ejecutarse en la CPU, se debe escoger alguno. El encargado de tomar esa decisión es el planificador o scheduler, y el algoritmo que usa se llama algoritmo de planificación. (Scheduler = planificación).  

Los objetivos de esta planificación son:

Justicia: Asegurarse que todos los procesos tengan su turno de CPU.

Eficiencia: Mantener la CPU ocupada todo el tiempo.

Tiempo de respuesta: Minimizar el tiempo de respuesta de los usuarios interactivos.

Rendimiento o productividad (throughput): Maximizar el número de trabajos terminados por hora.

Tiempo de espera: Minimizar el tiempo medio de espera (en la cola READY) de los procesos.
Hay un gran número de fases de CPU cortos, y muy pocos largos. Esta información puede ser importante para seleccionar un algoritmo de planificación adecuado.  Una decisión de planificación puede o debe tomarse cuando ocurre cualquiera de las siguientes transiciones entre estados de un proceso:

  * EJECUTANDO a BLOQUEADO.

  * EJECUTANDO a TERMINADO.

  * EJECUTANDO a LISTO.

  * BLOQUEADO a LISTO.

En los casos 1 y 2, necesariamente hay que escoger un nuevo proceso, pero en los casos 3 y 4 podría no tomarse ninguna decisión de scheduling, y dejar que continúe ejecutando el mismo proceso que estaba en ejecución ya casi listo.

3.2 CONCEPTOS BÁSICOS DE JOB SHEDULING

Una de las principales funciones es maximizar la utilización del CPU obtenida con la multiprogramación.

Y algunos de los conceptos principales o básicos dentro de la planeación de trabajos Job Scheduling son los siguientes:

PLANIFICADOR DE TAREAS: Es una aplicación de software de la empresa que se encarga de las ejecuciones desatendida fondo, comúnmente conocido por razones históricas como del procesamiento por lotes.

PROCESAMIENTO POR LOTE: (Lote sistema, Sistema de Gestión de Recursos Distribuidos (SGDD), y Distributed Resource Manager (DRM)).

Hoy en día los programadores están obligados a organizar la integración de los negocios en tiempo real con las actividades tradicionales de transformación de fondo que, a través de diferentes plataformas de sistemas operativos y entornos de aplicaciones de negocio.

Más allá de la básica, herramienta de programación única instancia de SO hay dos arquitecturas principales que existen para el software de planificación de trabajo.

Maestro / Agente de la arquitectura - El software Job Scheduling se instala en una sola máquina (Master), mientras que en equipos de producción sólo un componente muy pequeño (agente) está instalado que le espera a las órdenes del Maestro, los ejecuta, y devuelve el código de salida de nuevo al Maestro.

Arquitectura Cooperativa - Esto permite equilibrar la carga de trabajo dinámico para maximizar la utilización de los recursos de hardware y de alta disponibilidad para garantizar la prestación de servicios.

3.3. TIPOS DE PLANEACION JOB SCHEDULING

Objetivo de la planificación: Minimizar el tiempo de espera y minimizar el tiempo de respuesta. La planificación (scheduling) es la base para lograr la multiprogramación. Un sistema multiprogramado tendrá varios procesos que requerirán el recurso procesador a la vez.

Esto sucede cuando los procesos están en estado ready (pronto). Si existe un procesador disponible, se debe elegir el proceso que será asignado para ejecutar. La parte del sistema operativo que realiza la elección del proceso es llamada planificador (scheduler). La planificación hace referencia a un conjunto de políticas Y mecanismos incorporados a sistemas operativos que gobiernan el orden en que se ejecutan los trabajos.

Un planificador es un módulo del S.O que selecciona el siguiente trabajo que hay que admitir en el sistema y el siguiente proceso que hay que ejecutar. En muchos sistemas, la actividad de planificación se divide en tres funciones independientes: planificación a largo, medio, y corto plazo.

3.3.1 FIRST IN FIRST OUT (FIFO)

First in, first out o FIFO (en español "primero en entrar, primero en salir"), es un concepto utilizado en estructuras de datos, contabilidad de costes y teoría de colas. Guarda analogía con las personas que esperan en una cola y van siendo atendidas en el orden en que llegaron, es decir, que la primera persona que entra es la primera persona que sale.

También se lo llama first come first served o FCFS (en español "primero en llegar, primero en ser atendido").

FIFO se utiliza en estructuras de datos para implementar colas. La implementación puede efectuarse con ayuda de arrays o vectores, o bien mediante el uso de punteros y asignación dinámica de memoria.

La CPU se asigna a los procesos en el orden que lo solicitan,  cuando el primer proceso entra en el sistema, se le inicia de inmediato y se le permite ejecutar todo el tiempo que necesite, cuando llegan otros procesos se les coloca al final de la cola. Cuando se bloquea el proceso en ejecucion, se ejecuta el primer proceso de la cola, si un proceso bloqueado vuelve a estar listo se le coloca al final de la cola como si fuera un proceso recién llegado.

3.3.2 ROUND ROBIN (RR)

Round robin es un método para seleccionar todos los elementos en un grupo de manera equitativa y en un orden racional, normalmente comenzando por el primer elemento de la lista hasta llegar al último y empezando de nuevo desde el primer elemento. El nombre del algoritmo viene del principio de Round-Roubin conocido de otros campos, donde cada persona toma una parte de un algo compartido en cantidades parejas.

Algoritmo apropiativo consistente en determinar un quantum (tiempo de reloj) que marcará el intervalo de CPU que se le cederá al proceso ejecutando. Cuando finalice el quantum al proceso se le quitará la CPU y pasará a la cola de listo. La cola de listos sigue la estructura FIFO. Si un proceso no consume su quantum libera la CPU y ésta es asignada al siguiente proceso de la cola de listo.

Los procesos se despachan en “FIFO” y disponen de una cantidad limitada de tiempo de cpu, llamada “división de tiempo” o “cuanto”.

3.3.3 SHORTEST JOB FIRST (SJF)

Es una disciplina no apropiativa y por lo tanto no recomendable en ambientes de tiempo compartido. El proceso en espera con el menor tiempo estimado de ejecución hasta su terminación es el siguiente en ejecutarse. Los tiempos promedio de espera son menores y menos predecibles que con “FIFO”.

Favorece a los procesos cortos en detrimento de los largos y tiende a reducir el número de procesos en espera y el número de procesos que esperan detrás de procesos largos. Requiere un conocimiento preciso del tiempo de ejecución de un proceso, lo que generalmente se desconoce. Se pueden estimar los tiempos en base a series de valores anteriores.

El algoritmo asocia a los procesos el largo de su próximo CPU-burst. Cuando el procesador queda disponible se le asigna al proceso que tenga el menor CPU-burst. Si dos procesos tiene el mismo CPU-burst se desempata de alguna forma. Su funcionamiento depende de conocer los tiempos de ejecución, que en la mayoría de los casos no se conoce. Es adecuado para sistemas por lotes (batch).

3.3.4 SHORTEST REMAINING TIME (STR)

Esta disciplina elige siempre al proceso que le queda menos tiempo de ejecución estimado para completar su ejecución; de esta forma aunque un proceso requiera mucho tiempo de ejecución, a medida que se va ejecutando iría avanzando en la lista de procesos en estado listo hasta llegar a ser el primero. Para realizar esta elección, es necesario actualizar el PCB de los procesos a medida que se le asigna tiempo de servicio, lo que supone una mayor sobrecarga adicional.

Es una disciplina apropiativa ya que a un proceso activo se le puede retirar la CPU si llega a la lista de procesos en estado listo otro con un tiempo restante de ejecución estimado menor. Este algoritmo es la versión no apropiativa o espulsiva del algoritmo Shortest Process Next (SPN) o también llamado Shortest Job First (SJF).

En este algoritmo el planificador selecciona el proceso más corto, al igual que antes, pero en este caso el cambio se controla cada vez que un proceso llega a la cola. Es decir, cuando un proceso se desbloquea o se crea uno nuevo y el tiempo de ráfaga es menor que el tiempo de ráfaga del proceso que se está ejecutando, entonces se realiza un cambio de contexto, el bloqueado se ejecuta y el que se estaba ejecutando pasa a la cola de procesos listos. De este modo cuando se desbloquea o entra un proceso nuevo, se calcula su tiempo de ráfaga. Si el proceso que se está ejecutando le queda más tiempo de ráfaga que nuestro tiempo de ráfaga calculado entonces se procede a realizar el cambio de contexto.

3.3.5 HIGHEST RESPONSE RATIO NEXT (HNR)

Highest Response Ratio Next: (El de mayor tasa de respuesta el próximo). Algoritmo apropiativo parecido al SRT consistente en calcular el Reponse Ratio (Ratio de respuesta) para asignar la CPU a procesos más viejos.

Para cada proceso, basado en el tiempo que va a ocupar el procesador(s) y el tiempo que lleva esperando para ocuparlo (w), se calcula w+s/s, una vez hecho esto el proceso que tenga un valor mayor será asignado al procesador. Este algoritmo es bastante bueno, porque además de dar preferencia a los procesos cortos también tiene en cuenta el envejecimiento de los procesos para evitar así la "inanición".

Es muy productivo pero se sobrecarga el sistema, además ofrece un buen tiempo de respuesta, equilibra los procesos, aunque da prioridad a los procesos más cortos y  evita la inanición (los procesos que envejecen serán ejecutados). Las prioridades, que son dinámicas, se calculan según la siguiente fórmula, donde pr es la “prioridad”, te es el “tiempo de espera” y ts es el “tiempo de servicio”.

3.4 MULTIPROCESAMIENTO

Es tradicionalmente conocido como el uso de múltiples procesos concurrentes en un sistema en lugar de un único proceso en un instante determinado. Como la multitarea que permite a múltiples procesos compartir una única CPU, múltiples CPUs pueden ser utilizados para ejecutar múltiples hilos dentro de un único proceso.

Un multiprocesador se define como una computadora que contiene dos o más unidades de procesamiento que trabajan sobre una memoria común bajo un control integrado. Si el sistema de multiprocesamiento posee procesadores de aproximadamente igual capacidad, estamos en presencia de multiprocesamiento simétrico; en el otro caso hablamos de multiprocesamiento asimétrico.

Si un procesador falla, los restantes continúan operando, lo cual no es automático y requiere de un diseño cuidadoso. Un procesador que falla habrá de informarlo a los demás de alguna manera, para que se hagan cargo de su trabajo. Los procesadores en funcionamiento deben poder detectar el fallo de un procesador.

El multiproceso para tareas generales es, a menudo, bastante difícil de conseguir debido a que puede haber varios programas manejando datos internos (conocido como estado o contexto) a la vez. Los programas típicamente se escriben asumiendo que sus datos son incorruptibles. Sin embargo, si otra copia del programa se ejecuta en otro procesador, las dos copias pueden interferir entre sí intentando ambas leer o escribir su estado al mismo tiempo.

Para evitar este problema se usa una variedad de técnicas de programación incluyendo semáforos y otras comprobaciones y bloqueos que permiten a una sola copia del programa cambiar de forma exclusiva ciertos valores.

3.5 CONCEPTOS BASICOS DE MULTIPROCESADOR         

MULTIPROCESADOR: Se denomina multiprocesador a un computador que cuenta con dos o más microprocesadores (CPUs).Gracias a esto, el multiprocesador puede ejecutar simultáneamente varios hilos pertenecientes a un mismo proceso o bien a procesos diferentes.

EXTENSION DE MULTIPROCESADORES: Son aquellos sistemas operativos que están montados sobre ordenadores que están compuestos por más de un procesador.Dos factores clave para la extensión de los Multiprocesadores son:

Flexibilidad: El mismo sistema puede usarse para un único usuario incrementado el rendimiento en la ejecución de una única aplicación o para varios usuarios y aplicaciones en un entorno compartido.

Coste-rendimiento: Actualmente estos sistemas se basan en procesadores comerciales, por lo que su coste se ha reducido drásticamente. La inversión más fuerte se hace en la memoria y la red de interconexión.

CLASIFICACION POR USO DE LOS RECURSOS

Sistemas monoprogramados: Son los que solo permiten la ejecución de un programa en el sistema, se instalan en la memoria y permanecen allí hasta que termine su ejecución.

Sistemas multiprogramados: Son aquellos que se basan en las técnicas de multiprogramación, existen dos tipos:

·        Multitarea apropiativa (preemptive): Se utiliza en sistemas operativos cuya gestión es quitar el control del microprocesador al programa que lo tiene.

·        Multitarea cooperativa: El programa tiene el control del microprocesador, el sistema operativo no puede decidir quien usa el microprocesador.

Sistemas de multiprocesamiento: Formado por varios microprocesadores. Depende del tipo de trabajo y los objetivos que debe cumplir cada sistema para dar el mejor servicio al usuario, se clasifican en:

·        Procesamiento por lotes (batch): Cada programa realiza un conjunto de pasos secuenciales relacionados entre si.

Los sistemas de ordenador de multiprocesador son caros y encontraron su uso sólo en la aplicación de informática compleja y en la alta velocidad que funda el punto aplicación de cálculo numérica en espacios de Investigación e Industria.

3.6 PARALELISMO MULTIPROCESAMIENTO

El paralelismo consiste en ejecutar más instrucciones en menos tiempo, aunque las instrucciones sigan tardando lo mismo en ejecutarse. Los multiprocesadores hacen posible la explotación del paralelismo.

Los sistemas de computación obtienen los beneficios del procesamiento concurrente más por la “multiprogramación” de varios procesos y menos por la explotación del “paralelismo” dentro de un solo proceso. La detección del paralelismo es un problema complejo y la puede efectuar el programador, el traductor del lenguaje, el hardware o el Sistema Operativo. El paralelismo dentro de los programas puede ser “explícito” o “implícito”.

3.7 SISTEMAS MULTIPROCESAMIENTO

La técnica de multiprocesamiento consiste en hacer funcionar varios procesadores en forma paralela para obtener un poder de cálculo mayor que el obtenido al usar un procesador de alta tecnología o al aumentar la disponibilidad del sistema (en el caso de fallas del procesador).

Las siglas SMP (multiprocesamiento simétrico o multiprocesador simétrico) hacen referencia a la arquitectura en la que todos los procesadores acceden a la misma memoria compartida. Un sistema de multiprocesadores debe tener capacidad para gestionar la repartición de memoria entre varios procesadores, pero también debe distribuir la carga de trabajo. En los sistemas multiprocesador, los procesadores comparten la memoria y el reloj.  Se incrementa la capacidad de procesamiento y la confiabilidad, son económicos.

·        Multiprocesamiento simétrico: Cada procesador ejecuta una copia del sistema operativo. 

·        Multiprocesamiento asimétrico: Cada procesador tiene asignado una tarea específica, existe un procesador master que asigna tareas a los procesadores esclavos. 

Las computadoras que tienen más de un CPU son llamadas multiproceso y un sistema operativo multiproceso coordina las operaciones de las computadoras multiprocesadores, ya que cada CPU en una computadora de multiproceso puede estar ejecutando una instrucción, el otro procesador queda liberado para procesar otras instrucciones simultáneamente.

Al usar una computadora con capacidades de multiproceso incrementamos su velocidad de respuesta y procesos. Casi todas las computadoras que tienen capacidad de multiproceso ofrecen una gran ventaja.

3.8 ORGANIZACIÓN DEL MULTIPROCESADOR

Los multiprocesadores se caracterizan por los siguientes aspectos:

ü  Un multiprocesador contiene dos o más procesadores con capacidades aproximadamente comparables.

ü  Todos los procesadores comparten el acceso a un almacenamiento común y a canales de Entrada / Salida, unidades de control y dispositivos.

ü  Todo está controlado por un Sistema Operativo que proporciona interacción entre procesadores y sus programas en los niveles de trabajo, tarea, paso, archivo y elementos de datos.

Las organizaciones más comunes son las siguientes:

Tiempo compartido o bus común (conductor común): Usa un solo camino de comunicación entre todas las unidades funcionales. El bus común es en esencia una unidad pasiva.

Un procesador o procesador de Entrada / Salida que desee transferir datos debe efectuar los siguientes pasos:

1.      Verificar la disponibilidad del conductor y de la unidad de destino.

2.      Informar a la unidad de destino de lo que se va a hacer con los datos.

3.      Iniciar la transferencia de datos.

4.      Las unidades receptoras deben poder reconocer qué mensajes del bus son enviados hacia ellas y seguir y confirmar las señales de control recibidas de la unidad emisora.

Matriz de barras cruzadas e interruptores: En este caso existe un camino diferente para cada unidad de almacenamiento, por lo cual las referencias a dos unidades diferentes de almacenamiento no son bloqueantes sino simultáneas y la multiplicidad de caminos de transmisión puede proporcionar tasas de transferencia muy altas.

Almacenamiento de interconexión múltiple: Se obtiene al sacar las lógicas de control, de conmutación y de arbitraje de prioridades fuera del interruptor de barras cruzadas y se las coloca en la interfaz de cada unidad de almacenamiento.

Cada unidad funcional puede acceder a cada unidad de almacenamiento, pero sólo en una “conexión de almacenamiento” específica, es decir que hay una conexión de almacenamiento por unidad funcional.

El conexionado es más complejo que en los otros esquemas. Se puede restringir el acceso a las unidades de almacenamiento para que no todas las unidades de procesamiento las accedan, en tal caso habrá unidades de almacenamiento “privadas” de determinados procesadores.

3.9 SISTEMAS OPERATIVOS DEL MULTIPROCESADOR

Para que un multiprocesador opere correctamente necesita un sistema operativo especialmente diseñado para ello. 

La mayoría de los sistemas operativos actuales poseen esta capacidad. Las capacidades funcionales de los Sistemas Operativos de multiprogramación y de multiprocesadores incluyen lo siguiente: 
         • Asignación y administración de recursos.
         • Protección de tablas y conjuntos de datos.
         • Prevención contra el interbloqueo del sistema.
         • Terminación anormal.
         • Equilibrio de cargas de Entrada / Salida.
         • Equilibrio de carga del procesador.
         • Reconfiguración.
Las tres últimas son especialmente importantes en Sistemas Operativos de multiprocesadores, donde es fundamental explotar el paralelismo en el hardware y en los programas y hacerlo automáticamente.
Las organizaciones básicas de los Sistemas Operativos para multiprocesadores son las siguientes:
Maestro / satélite: Es la organización más fácil de implementar. No logra la utilización óptima del hardware dado que sólo el procesador maestro puede ejecutar el Sistema Operativo y el procesador satélite sólo puede ejecutar programas del usuario.
Ejecutivo separado para cada procesador: Cada procesador tiene su propio Sistema Operativo y responde a interrupciones de los usuarios que operan en ese procesador.

Existen tablas de control con información global de todo el sistema (por ejemplo, lista de procesadores conocidos por el Sistema Operativo) a las que se debe acceder utilizando exclusión mutua.

Tratamiento simétrico (o anónimo) para todos los procesadores: Es la organización más complicada de implementar y también la más poderosa y confiable. El Sistema Operativo administra un grupo de procesadores idénticos, donde cualquiera puede utilizar cualquier dispositivo de Entrada / Salida y cualquiera puede referenciar a cualquier unidad de almacenamiento.
El procesador ejecutivo es el responsable (uno sólo) en un momento dado de las tablas y funciones del sistema; así se evitan los conflictos sobre la información global.

Unidad 2

"ADMINISTRACIÓN DE PROCESOS"

Comandos del Sistema


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Comandos "HELP"

Comandos NET

Unidad 2

Administración de Procesos

2.1 Descripción y Control de Procesos

En algunos sistemas operativos como en los de tiempo compartido, cada programa que se ejecuta, por ejemplo mediante una orden de EJECUTAR dada por el usuario, se trata como un proceso independiente. Estos procesos generados por el SO se denominan IMPLÍCITOS. Una vez terminada la ejecución de los mismos, su eliminación también la realiza el propio SO. Así mismo, el SO proporciona en tiempo real los servicios que son necesarios para que el usuario pueda definir procesos de forma explícita. Los programas acceden a estos servicios realizando LLAMADAS AL SISTEMA (SYSTEM CALL).

Estas llamadas pueden aparecer incrustadas en el código de un programa de usuario o del propio sistema, en cuyo caso, se asemejan a llamadas a procedimientos o funciones que dan lugar a transferencias de rutinas del SO cuando se invocan en tiempo real. Las llamadas al sistema se realizan también, pero de forma indirecta, cuando se dan ordenes al SO a través de un terminal (SHELL) la rutina de monitorización del terminal( que es a su vez un proceso) se encarga de transformar la ordenes en llamadas al sistema.

De este modo, al comienzo de la ejecución del programa principal de un usuario se inicia la ejecución de un proceso. A su vez el proceso podría crear nuevos procesos. En este caso, el proceso que crea otro nuevo se denomina proceso padre (parent process), y el proceso creado de denomina proceso hijo (child process). Una vez creado un proceso hijo, la ejecución de padre e hijo transcurre de manera concurrente. De esta forma se puede crear una jerarquía arborescente de procesos, en la que un padre puede tener varios hijos y estos pueden tener otros hijos, etc, pero donde cada hijo sólo tiene un padre.

2.2 Definición de Proceso

Proceso es una instancia de ejecución de un programa, caracterizado por su contador de programa.

Palabra de estado: Palabra que recoge en binario el estado del entorno de programa, después de la ejecución de cada instrucción; Registros: Pequeña memoria interna del microprocesador, formada generalmente por bi-estables del procesador; Segmento de texto; Pila: Zona reservada de la memoria o registros hardware donde se almacena temporalmente el estado o información de un programa, rutina; y datos, etc.

2.3 Estados de los Procesos

El proceso es un elemento dinámico que puede pasar por diferentes estados a lo lo largo de su existencia. De forma general, un proceso puede encontrarse en un instante determinado en uno de lo siguientes estados:

Activo, Preparado, Bloqueado o suspendido, Nonato y Muerto.

• La tarea activa es la que está ejecutándose en un instante dado. En el caso de sistemas con un único procesador, sólo puede haber una tarea en dicho estado en cada instante.
• En el estado de preparado, se encuentran todas las tareas que están listas para ejecutarse pero que esperan a que un procesador quede libre (hay otros procesos más prioritarios en ejecución).
• Las tareas que están a la espera de que se cumpla una condición y que por lo tanto, no están preparadas para ejecutase, se dice que están en el estado bloqueado o suspendido; alguno ejemplos de condición son: que se termine una operación de E/S o que se reciba una señal de sincronización.
• Un proceso está muerto cuando ha terminado su ejecución o bien el sistema operativo a detectado un error fatal y lo ha transferido a dicho estado. También es posible que haya entrado él como resultado de un fallo del propio sistema operativo (cuestión que desgraciadamente suele ocurrir frecuentemente en algunos SO.
• El estado de nonato indica que el programa realmente existe pero todavía no es conocido por el SO.

2.4 Control de los Procesos

La mayoría de los procesadores dan soporte para dos modos de ejecución por lo menos. Ciertas instrucciones pueden ejecutarse sólo en modo privilegiado. Entre éstas están la lectura o modificación de registros de control (como la palabra de estado del programa), instrucciones primitivas de E/S e instrucciones relativas a la gestión de memoria. Además, se puede acceder a ciertas regiones de memoria sólo en el modo más privilegiado.

El modo menos privilegiado a menudo se conoce como modo de usuario, ya que los programas de usuario ejecutan normalmente en ese modo. Al modo más privilegiado normalmente se le conoce como modo del sistema, modo de control o modo del núcleo.

La razón por la que se usan dos modos debe quedar clara. Es necesario proteger al sistema operativo y a las tablas importantes del mismo, tales como los bloques de control de procesos, de las injerencias de los programas de usuario. En el modo del núcleo, el software tiene control completo del procesador y de todas sus instrucciones, registros y memoria. Este nivel de control no es necesario y, por seguridad, tampoco conveniente para los programas de usuario.

2.5 Proceso o Hilos

Proceso

Es una ejecución concreta de un programa, con un camino determinado y un valor de sus variables determinados. La unidad mínima de expedición y de asignación de recursos es el proceso.

Estados en los que puede estar un proceso

• Listo. Tiene todo lo necesario para ejecutarse excepto el procesador.
• Suspendido. No está en memoria principal.
• Bloqueado. Está esperando un evento.
• Bloqueado y suspendido.
• Listo y suspendido.

Tareas e hilos

Unidad mínima de asignación: Tarea

Unidad mínima de expedición: Hilo

Dos hilos de una misma tarea (denominados hilos pares) comparten el segmento de código, el segmento de datos y un espacio de pila, es decir, los recursos asignados a la tarea.

Podemos captar la funcionalidad de los hilos si comparamos el control de múltiples hilos con el control de múltiples procesos. En el caso de los procesos, cada uno opera independientemente de los otros; cada proceso tiene su propio contador de programa, registro de pila, y espacio de direcciones. Este tipo de organización es muy útil cuando los trabajos que los procesos efectúan no tienen ninguna relación entre si.

Pero cuando los trabajos a realizar van a necesitar, por ejemplo, la llamada a una misma función o bien, la compartición de una variable en memoria, nos interesará englobarlos en una tarea.

Ejemplo

Avion-Torre.

Cuando un hilo está en ejecución, posee el acceso a todos los recursos que tiene asignados la tarea.

Un hilo tendrá lo siguiente:

• Estado. 
• Contexto del procesador. Punto en el que estamos ejecutando, la instrucción concretamente en la que nos hallamos.

Es útil a la hora de reanudar un hilo que fue interrumpido con anterioridad, puesto que al guardar el contexto, guardamos la última instrucción que ejecutamos, y así podemos conocer por donde tenemos que continuar la ejecución del hilo.

Pila de ejecución donde se irá metiendo y sacando instrucciones.

(Lugar donde almacenaremos las instrucciones que van a ser ejecutadas).

Espacio de almacenamiento estático donde almacenará las variables.

Acceso a los recursos de la tarea, que son compartidos por todos los hilos de la tarea.

Ventajas del uso de hilos

• Se tarda menos tiempo en crear un hilo de una tarea existente que en crear un nuevo proceso.
• Se tarda menos tiempo en terminar un hilo que en terminar un proceso.
• Se tarda menos tiempo en cambiar entre dos hilos de una misma tarea que en cambiar entre dos procesos (porque los recursos no cambian)
• Es mas sencillo la comunicación (paso de mensajes) entre hilos de una misma tarea que entre diferentes procesos.
• Cuando se cambia de un proceso a otro, tiene que intervenir el núcleo del sistema operativo para que haya protección.
• Cuando se cambia de un hilo a otro, puesto que la asignación de recursos es la misma, no hace falta que intervenga el sistema operativo,

2.6 Concurrencia, Exclusión mutua y Sincronización

Concurrencia

Dos o más procesos decimos que son  paralelos, o que se ejecutan o son procesados al mismo tiempo, es decir, que para ejecutar uno de ellos, no hace falta que se haya ejecutado otro.

En sistemas multiprocesador, esta ejecución simultánea podría conseguirse completamente, puesto que podremos asignarle. Cuando tenemos un solo procesador se producirá un intercalado delas instrucciones de ambos procesos, de tal forma que tendremos la sensación de que hay un paralelismo en el sistema (concurrencia, ejecución simultánea de más de un proceso).

Ahora bien, está claro que en esto tenemos que tener en cuenta que mientras un proceso está escribiendo un valor en una variable determinada, puede darse el caso que otro proceso que es concurrente al primero vaya a leer o escribir en esa misma variable, entonces habrá que estudiar el caso en el que un proceso haga una operación sobre una variable (o recurso en general) y otro proceso concurrente a él realice otra operación de tal forma que no se realice correctamente. Para estudiaresto, y determinar el tipo de operaciones que se pueden realizar sobre recursos compartidos.

Exclusión mutua

Los algoritmos de exclusión mutua (comúnmente abreviada como mutex por mutual exclusion) se usan en programación concurrente para evitar el uso simultáneo de recursos comunes, como variables globales, por fragmentos de código conocidos como secciones críticas.

La mayor parte de estos recursos son las señales, contadores, colas y otros datos que se emplean en la comunicación entre el código que se ejecuta cuando se da servicio a una interrumpción y el código que se ejecuta el resto del tiempo. Se trata de un problema de vital importancia porque, si no se toman las precauciones debidas, una interrupción puede ocurrir entre dos instrucciones cualesquiera del código normal y esto puede provocar graves fallos.

La técnica que se emplea para conseguir la exclusión mutua es inhabilitar las interrupciones durante el conjunto de instrucciones más pequeño que impedirá la corrupción de la estructura compartida (la sección crítica). Esto impide que el código de la interrupción se ejecute en mitad de la sección crítica.

La mayoría de los métodos de exclusión mutua clásicos intentan reducir la latencia y espera activa mediante las colas y cambios de contexto. Algunos investigadores afirman que las pruebas indican que estos algoritmos especiales pierden más tiempo del que ahorran.

A pesar de todo lo dicho, muchas técnicas de exclusión mutua tienen efectos colaterales. Por ejemplo, los semáforos permiten interbloqueos.

Sincronización

Es cuando varios procesos se ejecutan para completar una tarea. Sincronización es un funcionamiento coordinado en la resolución de una tarea encomendada. El SO ofrece mecanismos básicos de comunicación, que permiten trasferir cadenas de bytes. Deben ser procesos que se comunican quienes interpretan el significado de las cadenas trasferidas para su labor coordinada.

Los mecanismos de sincronización son dinámicos. Es decir, cuando se necesita un mecanismo de este estilo, se crea, se usa y destruye, de forma que no se establezca de forma definitiva ningún mecanismo de comunicación.

2.7 Principios Generales de la Concurrencia

En un sistema multiprogramado con un único procesador, los procesos se intercalan en el tiempo aparentando una ejecución simultánea. Aunque no se logra un procesamiento paralelo y produce una sobrecarga en los intercambios de procesos, la ejecución intercalada produce beneficios en la eficiencia del procesamiento y en la estructuración de los programas.

La intercalación y la superposición pueden contemplarse como ejemplos de procesamiento concurrente en un sistema monoprocesador, los problemas son consecuencia de la velocidad de ejecución de los procesos que no pueden predecirse y depende de las actividades de otros procesos, de la forma en que el sistema operativo trata las interrupciones surgen las siguientes dificultades:

• Compartir recursos globales es riesgoso
• Para el sistema operativo es difícil gestionar la asignación óptima de recursos
• Las dificultades anteriores también se presentan en los sistemas multiprocesador
• El hecho de compartir recursos ocasiona problemas, por esto es necesario proteger a dichos recursos
• Los problemas de concurrencia se producen incluso cuando hay un único procesador.

Elementos de gestión y diseño que surgen por causa de la concurrencia:

1. El sistema operativo debe seguir a los distintos procesos activos
2. El sistema operativo debe asignar y retirar los distintos recursos a cada proceso activo, entre estos se incluyen: Tiempo de procesador, Memoria, Archivos y Dispositivos de E/S.
3. El sistema operativo debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias no intencionadas de otros procesos.
4. Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad a la que se realiza la ejecución de otros procesos concurrentes.

2.8 Exclusión mutua

Consiste en que un solo proceso excluye temporalmente a todos los demás para usar un recurso compartido de forma que garantice la integridad del sistema.

Es la comunicación requerida entre dos o más procesos que se están ejecutando en paralelo y que necesitan a la vez el uso de un recurso no compatible. Consiste en asignar el recurso no compatible a sólo uno de los procesos, mientras que los otros deben permanecer a la espera hasta que finalice la utilización de dicho recurso por el proceso al que se le asigno. Cuando este proceso termine, el recurso será asignado a uno de los procesos en espera.

2.9 Semáforos

Semáforos es un algoritmo de control de procesos, que tiene solo dos operaciones básicas, las cuales son:

• Wait: Pregunta a los procesos si su contador es > ó = que cero, en caso de no ser así, los decrementa. El proceso que cambia en este caso a negativo (−1) desde la cola de procesos Listos a ser ejecutados es el que automáticamente toma el control del procesador.
• Signal: A partir de un tiempo t definido por el despachador se ejecuta, y pregunta a los procesos si su contador es < que cero en caso de que sea afirmativa la respuesta, saca a este proceso de su ejecución y depende de su estado.

2.10 Monitores

Un monitor encapsula el código relativo a un recurso compartido en un solo módulo de programa.

Ventajas:

• Mantenimiento más simple
• Menos errores de programación

La interfaz del monitor es un conjunto de funciones que representan las diferentes operaciones que pueden hacerse con el recurso. La implementación del monitor garantiza la exclusión mutua mediante semáforos o algún otro mecanismo.

2.11 Paso de mensajes

El paso de mensajes es imprescindible en sistemas distribuidos dado que en este caso no existen recursos directamente compartidos para intercambiar información entre los procesos.

Sin embargo, también si se trabaja con un solo procesador pasar mensajes entre procesos es un buen método de sincronizar procesos o trabajos, respectivamente.

El paso de mensajes es una técnica empleada en programación concurrente para aportar sincronización entre procesos y permitir la exclusión mutua, de manera similar a como se hace con los semáforos, monitores, etc.

Los elementos principales que intervienen en el paso de mensajes son el proceso que envía, el que recibe y el mensaje.

Existen dos tipos de paso de mensajes, tales como:

• Asíncrono: El proceso que envía no espera a que sea recibido el mensaje enviado. Estos puede que tengan un buzón para mantener los mensajes que se han enviado previamente y no han sido recibidos aún.
• Síncrono: El proceso que envía el mensaje, espera a que este sea recibido, antes de generar y enviar otro mensaje.

2.12 Concurrencia e Interbloqueo (Deadlock)

En computación, la concurrencia es la propiedad de los sistemas que permiten que múltiples procesos sean ejecutados al mismo tiempo, y que potencialmente puedan interactuar entre sí.

Los procesos concurrentes pueden ser ejecutados realmente de forma simultánea, sólo cuando cada uno es ejecutado en diferentes procesadores. En cambio, la concurrencia es simulada si sólo existe un procesador encargado de ejecutar los procesos concurrentes, simulando la concurrencia, ocupándose de forma alternada en uno y otro proceso a pequeñísimos intervalos de tiempo. De esta manera simula que se están ejecutando a la vez.

Debido a que los procesos concurrentes en un sistema pueden interactuar entre otros también en ejecución, el número de caminos de ejecución puede ser extremadamente grande, resultando en un comportamiento sumamente complejo.

En SO, el bloqueo mutuo (también conocido como interbloqueo, traba mortal, deadlock, abrazo mortal) es el bloqueo permanente de un conjunto de procesos o hilos de ejecución en un sistema concurrente que compiten por recursos del sistema o bien se comunican entre ellos.

A diferencia de otros problemas de concurrencia de procesos, no existe una solución general para los interbloqueos.

Todos los interbloqueos surgen de necesidades que no pueden ser satisfechas, por parte de dos o más procesos. 

2.13 Principios de Interbloqueo

En la política del sistema operativo, deben darse tres condiciones para que pueda producirse un interbloqueo:
1- Condición de exclusión mutua: Cada recurso esta asignado a un único proceso o está disponible.
2- Condición de posesión y espera: Los procesos que tienen, en un momento dado, recursos asignados con anterioridad, pueden solicitar nuevos recursos.
3- Condición de no apropiación: Los recursos otorgados con anterioridad no pueden ser forzados a dejar un  proceso. El proceso que los posee debe liberarlos en forma explícita.
4- Condición de espera circular (o circulo vicioso de espera): Debe existir una cadena circular de dos o más procesos, cada uno de los cuales espera un recurso poseído por el siguiente miembro de la cadena.

2.14 Acciones a realizar en Interbloqueo

Prevención del interbloqueo:  La estrategia básica de la prevención del interbloqueo consiste, a grandes rasgos, en diseñar su sistema de manera que esté excluida, a priori, la posibilidad de interbloqueo.

Los métodos para prevenir el interbloqueo son de dos tipos:

• Los métodos indirectos que consisten en impedir la aparición de alguna de las tres condiciones necesarias para que se dé el interbloqueo.
• Los métodos directos que consisten en evitar la aparición del círculo vicioso de espera.

Un proceso cuando solicita un nuevo recurso, libera los que ya tiene. Si el nuevo recurso se le puede dar, se le devuelven los que ya tenían, sino, no se le da ninguno. El problema es que hay recursos que no son fácilmente expropiables. (Actualización de una base de datos)

No expropiación. El sistema puede expropiar la asignación de un recurso a un proceso. Problema: Hay recursos que no son fácilmente expropiables.

Espera circular: Los recursos se clasifican por categorías y los procesos solo pueden solicitar los recursos en orden creciente, además todos los recursos de una categoría deben ser solicitados a la vez. Una vez que un proceso ha solicitado un recurso de una categoría, no puede solicitar otro de una categoría inferior.

Evitación del interbloqueo: Se conceden solamente aquellas peticiones de recursos que no lleven al sistema a un estado de interbloqueo. Para determinar si un estado es seguro o no usaremos el algoritmo del banquero.

• Estado seguro: si todos los procesos que ya tienen concedidos los recursos tienen la posibilidad de ser completados en algún orden determinado, incluso si cada uno de esos procesos utilizara todos los recursos a los que esta autorizado.
• Estado no seguro. No implica la existencia de interbloqueo. Indica que se podría dar alguna secuencia de solicitudes que llevara al sistema a un estado de interbloqueo.

Predicción del interbloqueo: Con predicción del interbloqueo, por otro lado, se pueden alcanzar las tres condiciones necesarias, pero se realizan elecciones acertadas para asegurar que nunca se llega al punto de interbloqueo.

Se decide dinámicamente si la petición actual de asignación de un recurso podría, de concederse, llevar potencialmente a un interbloqueo.

La predicción del interbloqueo necesita, por lo tanto, conocer las peticiones futuras de recursos.

Detección del interbloqueo: Con la detección del interbloqueo, se concederán los recursos que los procesos necesiten siempre que sea posible. Periódicamente, el S. O. ejecuta un algoritmo que permite detectar la condición de círculo vicioso de espera.  

La detección del interbloqueo es el proceso de determinar si realmente existe un interbloqueo e identificar los procesos y recursos implicados en él. Este método está basado en suponer que un interbloqueo no se presente y que los recursos del sistema que han sido asignados, se liberarán en el momento que otro proceso lo requiera.

Recuperación del interbloqueo: Para recuperar un sistema interbloqueado necesitamos conocer los procesos que producen el interbloqueo y después realizaremos una de las siguientes acciones:

- Reiniciar un proceso (abandonar). Se pierde todo lo que el proceso haya ejecutado. Si persiste el interbloqueo abandonamos más procesos. Abandonar y comprobar el estado del sistema.

- Reiniciar todos los procesos. Devolvemos los procesos a un estado anterior en el cual no haya interbloqueo. Para volver atrás tengo que haberlo guardado en memoria.

- Expropiar o apropiar recursos. Vamos a expropiar recursos a procesos hasta que deje de existir el interbloqueo. Hay recursos fácilmente expropiables o no fácilmente expropiables.

Recuperación Manual: Está forma de recuperación consiste en avisarle al administrador o al operador del sistema que se ha presentado un interbloqueo, y será el administrador el que solucione dicho problema de la manera más conveniente posible, de modo que su decisión no afecte demasiado a al usuario del proceso en conflicto, y sobre todo que no afecte a los demás usuarios del sistema.

Recuperación Automática: Dentro de esta recuperación automática tenemos dos opciones para romper el interbloqueo: Una consiste en abortar uno o más procesos hasta romper la espera circular, y la segunda es apropiar algunos recursos de uno o más de los procesos bloqueados.