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Sistemas Operativos
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Les ofrecemos aquà un white paper que estudia los conceptos fundamentales que los componen, dejando para otra oportunidad la historia de su desarrollo, los distintos sistemas de la actualidad como ser Windows, Linux, Solaris, Mac OS X, etc. También dejaremos afuera por esta vez los sistemas distribuidos y de redes. Los temas expuestos serán los procesos de los sistemas operativos, la administración de memoria, sistema de E/S y sistema de archivos.
Agregado: 06 de JULIO de 2008 (Por Ramiro Gomez) | Palabras: 8759 | Votar | Sin Votos | Sin comentarios | Agregar Comentario
Categoría: Apuntes y MonografÃas > Computación > Varios >
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Autor: Ramiro Gomez (ramiagomez@yahoo.com.ar)
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Indice
Introducción .................... .. 1
Procesos ........................ .. 3
Administración de la memoria .... .. 11
Sistemas de E/S ................. .. 16
Sistema de archivos ............. .. 20
Bibliografía .................... .. 22
Introducción
En esta oportunidad vamos a enfocar nuestra atención en los sistemas operativos. Les ofrecemos aquí un white paper que estudia los conceptos fundamentales que los componen, dejando para otra oportunidad la historia de su desarrollo, los distintos sistemas de la actualidad como ser Windows, Linux, Solaris, Mac OS X, etc. También dejaremos afuera por esta vez los sistemas distribuidos y de redes.
Los temas expuestos serán los procesos de los sistemas operativos, la administración de memoria, sistema de E/S y sistema de archivos.
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Un sistema operativo es un programa o conjunto de programas que permiten la utilización eficaz de los recursos hardware. Los sistemas operativos hacen la conexión entre las aplicaciones y el hardware, de modo que éstas en general se limitan a usar funciones provistas por el sistema.
Las operaciones básicas que se pueden hacer dentro de un sistema operativo son:
• abrir y cerrar: archivos o directorios
• crear y borrar: archivos o directorios
• buscar
• cambiar nombre
• copiar, cortar y pegar
• ejecutar: programa o script
• formatear: unidades de almacenamiento
• Entre otras opciones más recientes no tan básicas tenemos:
• comprimir - descomprimir: archivos o directorios
• desfragmentar: unidad de almacenamiento
• comprobar disco: de errores
• copia de seguridad
• restaurar sistema
Los sistemas operativos se pueden clasificar de muchas maneras, de acuerdo a las características o maneras de operar que tengan:
• según la administración de las tareas
○ S O monotarea s: sólo pueden ejecutar una tarea por vez, es decir que no son concurrentes. Son los más antiguos y es difícil ver sistemas modernos monotareas.
○ S O multitarea s: pueden ejecutar varias tareas simultáneamente (o cuasi-simultáneamente), aprovechando los tiempos ociosos de la CPU. Alternan entre varias tareas, las que se procesan en partes durante pequeños intervalos de tiempo (quantums).
• Según la cantidad de usuarios
○ S O monousuarios : admiten un solo usuario por vez.
○ S O multiusuario : permiten varios usuarios
compartiendo recursos al mismo tiempo. Necesitan dar protección a cada uno (restringiendo accesos, con claves, con permisos, etc.)
• según la administración de recursos
○ S O centralizados : se ocupan los recursos de una sóla máquina, como ser CPU, memoria, disco, etc.
○ S O de red : permiten compartir datos, dispositivos de E/S. Reduce costos para el trabajo en equipos.
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Es la opción elegida en los sistemas operativos modernos. ○ S O distribuidos : constituyen una generalización del anterior, ya que se comparten recursos y distribuyen los procesos del sistema entre varios nodos (computadoras). Este tipo de SO son más difíciles de implementar y necesitan un estudio especial, que trataremos en algún futuro white paper (manténgase actualizados en www.peiper.com.ar!). Deben contemplar fallos en la red, problemas de sincronización, diferente hardware en cada nodo, atomicidad, etc.
Procesos
Una de las tareas fundamentales de los sistemas operativos
es la administración y planificación de la ejecución de
los procesos. Estos son parte fundamental de todo sistema,
y básicamente son programas que procesan y devuelven
datos.
Los procesos para funcionar necesitan muchos recursos: una
CPU, memoria principal, almacenamiento secundario (disco),
recursos de E/S y a veces también servicios de red.
Hay 2 tipos principales de procesos: procesos de usuario y
procesos de sistema. El 1ro se ejecuta en modo usuario, y
el segundo en modo supervisor.
Los procesos son (o deberían serlo) internos del sistema y
transparentes al usuario, de modo que se le simplifique el
trabajo a éste.
Pero nos podemos preguntar cuál es la necesidad de usar
procesos. ¿Por qué el sistema operativo no es un solo
programa que invoque subprogramas? Las razones para
usarlos radican en
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? simplicidad: para permitir una estructura modular que facilita la comprensión.
? velocidad: al tener un conjunto de procesos estos se pueden ejecutar de manera concurrente y planificar para mejorar el uso de los recursos.
■ seguridad: para permitir o no su ejecución y limitar el uso de los recursos que cada uno hace.
PCB y SCB
Cada proceso se representa en el sistema operativo a través de un PCB (bloque de control de proceso). Un PCB mantiene información del proceso, de su estado actual y datos y variables que sirven al sistema operativo para planificarlos (por ej. prioridad).
Los objetivos del uso de PCBs son almacenar información de cada proceso que sirve para la planificación que hace el sistema operativo, para ejecutar cada proceso de una manera correcta, y en general para almacenar la información de cada proceso que usará el sistema operativo. La información de un PCB es:
• puntero: locación del proceso en memoria.
• estado del proceso: hay 5 estados básicos.
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• número del
proceso: process id. Sirve para
identificarlo dentro del sistema.
• contador de
programa: la posición actual por donde
va la ejecución.
• datos de pila
• registros: usados por el proceso
• variables
• prioridad
• lista de archivos abiertos
• código (instrucciones)
Por otra parte, los sistemas operativos disponen de
estructuras para vincular los PCBs, llamadas "bloques de
control del sistema (SCB)".
Un SCB es similar al PCB pero lo utiliza el sistema
operativo para enlazar los PCB residentes en memoria
principal. Los SCBs contienen PCBs.
Su información es: excepciones, interrupciones, fallos de
CPU, PCB, reloj y consola.
Ejecución de los procesos
Un sistema operativo puede usar alguno de 3 tipos de ejecución, de acuerdo a los requerimientos del sistema y al ambiente en el que se lo usará. Cada una de estas clasificación supone una evolución de la anterior, siendo la más aceptada actualmente el "tiempo compartido". En orden de aparición tenemos:
• Ejecución secuencial: es característica de los
sistemas por lotes, los más antiguos. Se ejecuta
sólo un proceso a la vez, y no se conmuta a otro
hasta que termina su procesamiento. Maneja la
técnica llamada spooling, que usa buffers para
realizar E/S. Esta técnica de ejecución supone un
derroche de recursos, sobre todo
actualmente que el
hardware comienza a tener una orientación
"masivamente paralela", con procesadores multi-
núcleo, discos en RAID, placas de video en SLI o
CrossFire, etc.
• Multiprogramación: Permite organizar la ejecución de
los trabajos a fin de mejorar el aprovechamiento de
la CPU. Por ejemplo, al solicitar un trabajo E/S,
mientras ésta se realiza se selecciona otro trabajo
para ejecutarlo.
• Tiempo compartido: Es una extensión de la
multiprogramación. En ésta la ejecución de los
procesos se realiza alternadamente,
conmutando entre
varios procesos. Se ejecuta un proceso durante un
intervalo de tiempo (llamado quantum) y aunque no
haya terminado, al finalizar el quantum se pasa a
ejecutar otro.
Estados de los procesos
Hoy en día la mayoría de los sistemas operativos manejan los procesos de manera concurrente a través de la multiprogramación. Este significa que en un intervalo de tiempo dado el sistema es capaz de atender y dar espacio de ejecución a 2 o más procesos. Para esto se utilizan distintos algoritmos y estructuras de datos para organizarlos según su estado.
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Para la planificación y organización de los procesos las estructuras más comúnmente usadas son las colas, que organizan a los procesos según su estado. Tenemos:
• cola de procesos listos: contiene los procesos que
están listos para ejecutarse y que compiten por la
CPU.
• cola de suspendido listo: aquí están los procesos
que terminaron su ejecución y no están
compitiendo
por la CPU.
• cola de en espera o bloqueado: contiene los procesos
que están en estado de espera por causa de E/S.
• cola de suspendido bloqueado: los procesos que se
interrumpe
su ejecución.
Planificación
El sistema operativo es el encargado de conmutar el uso de la CPU con los diferentes procesos. El estado ideal sería tener un procesador por cada proceso, pero esto es muy poco flexible y conlleva un alto costo. Entonces, ya que la mayoría de las computadoras poseen un solo procesador es necesario compartirlo, cambiando de un proceso a otro conmutando el contexto. La conmutación de contexto es una tarea por lo general costosa en términos de utilización de recursos y tiempos necesarios, y de ser excesiva el sistema podría pasarse conmutando sin realizar procesamiento productivo. Por eso, la estructura y técnicas de un sistema operativo están muy relacionadas con el hardware sobre el que correrá. Los objetivos de la planificación son:
• equidad y justicia
• mejorar los tiempos de respuesta y retorno
• minimizar los tiempos de espera
• maximizar la productividad
Para regular el grado de multiprogramación (la cantidad de procesos que están en memoria principal) se usa el planificador a largo plazo, que es el encargado de escoger procesos en almacenamiento masivo y traerlos a memoria principal. Este planificador tiene una frecuencia de ejecución baja, alrededor de una vez cada 100 milisegundos (aunque depende mucho del sistema operativo). No es común su uso en sistemas de tiempo compartido.
Por otra parte tenemos el planificador a corto plazo, que se ejecuta mucho más frecuentemente. Su tarea es seleccionar procesos de la cola de procesos listos y asignarles la CPU. Su ejecución debe ser concisa y rápida debido a su frecuente uso.
Hay otro nivel de planificador que se puede encontrar más en los sistemas de tiempo compartido, y es el planificador a mediano plazo. Este selecciona procesos que no se están ejecutando, los coloca en memoria virtual (swaping o intercambio) y en el momento necesario los trae nuevamente a memoria principal. La diferencia con el planificador a largo plazo es que éste selecciona procesos que están en ejecución (pero esperando por el procesador en cola de listos, en espera o bloqueados).
Operaciones con procesos
Los procesos se pueden crear, destruir, suspender, reanudar, cambiar su prioridad y temporizar su ejecución (quantum). En general todas estas acciones las realiza el sistema operativo automáticamente, aunque en algunos casos
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particulares puede ser necesaria la intervención del usuario.
Jerarquía de procesos: padres e hijos
Tenemos 2 tipos de procesos: procesos padres y procesos
hijos.
Los procesos padres son aquellos que invocan la ejecución
de otros procesos, que reciben el nombre de hijos. Los
procesos hijos pueden ocupar recursos de 2 maneras
distintas: del sistema o de los recursos que tiene
asignados su padre.
Tipos de procesos
Los procesos se clasifican de varias maneras.
• Según el código ejecutable:
o reutilizables: pueden ser usados por varios programas de manera simultánea. Manejan datos compartidos. En cada llamada empiezan a ejecutarse desde el principio.
o reentrantes: se mantiene una sola imagen cargada en el sistema.
• De acuerdo al uso del procesador y los recursos:
o apropiativos: no sueltan la CPU hasta que terminan su procesamiento. No son para nada deseables estos tipos de procesos porque quitan capacidad de control al sistema operativo.
o no apropiativos: permiten al sistema operativo administrarles la CPU.
• De acuerdo a la forma de ejecución:
o residentes: se ubican sólo en memoria principal. Puede ser conveniente que los procesos del sistema más utilizados sean residentes, a fin de mejorar la performance general.
o intercambiables: pueden encontrarse tanto en memoria principal como en virtual.
Procesos cooperativos e independientes
Los procesos independientes son aquellos que no comparten recursos y que no dependen de otros procesos externos para proveerse de información. Es decir, que funcionan de manera independiente.
Los procesos cooperativos son más difíciles de implementar
y su organización en el sistema es más compleja, pero
permiten proveerse de datos entre ellos, comparten
recursos tales como E/S, memoria principal, etc.
Las razones principales de su uso son para compartir
información, para acelerar los cálculos, para usar la
modularidad y por comodidad para el usuario.
Una desventaja posible es que en error en uno de ellos
puede repercutir en sus procesos dependientes, provocando
cuelgues o inestabilidades.
Otro de sus problemas es conocido como problema de los
productores - consumidores: un proceso consume información
provista por un proceso productor. ¿Pero qué pasa si el
proceso productor produce más despacio que lo que consume
el consumidor? ¿O si es al revés? Para solucionar este
problema se introduce el uso de buffers. Estos pueden ser
de 2 formas, limitados o ilimitados.
Puede ser necesario que en vez de 1 buffer debamos usar 2.
Así, el proceso productor rellena el buffer 1, cuando está
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lleno lo pasa a consumir el proceso consumidor. Pero mientras ocurre ésto no es conveniente que el productor sobrescriba el mismo buffer 1. En vez de ello, el productor comienza a escribir en el buffer 2. Y de esta forma se van alternando ambos buffers.
Comunicación entre procesos
Los procesos cooperativos o padres e hijos deben tener la
capacidad de comunicarse.
Se pueden usar buffers por un lado, y por el otro
mensajes.
En el caso de los mensajes disponemos de dos mecanismos:
• comunicación directa: se envía un mensaje de un
proceso a otro cuyos parámetros son nombre de
proceso y mensaje. Su sintaxis es:
enviar(procesoP,mensaje) y
recibir(procesoQ,mensaje)
• Comunicación indirecta: el mensaje se envía a un
buzón
de mensajes. La sintaxis es:
enviar(buzón,mensaje) y recibir(buzón,mensaje). Cada proceso tiene un buzón propio y este se puede implementar a través de un buffer, que puede ser de
capacidad cero, capacidad limitada, o capacidad ilimitada.
En todos los casos el sistema operativo o el subsistema de comunicación entre procesos (IPC) deben asegurar la consistencia y la correctitud de los mensajes. Para esto se pueden implementar sumas de verificación (checksum) o similares.
Excepciones
El sistema operativo debe contar con un gestor de excepciones a fin de tratar los eventos anómalos que se pueden producir durante la ejecución de los procesos. Al producirse una de éstas se puede abortar la ejecución del proceso o se la puede tratar y luego continuar con la ejecución.
Los tipos de excepciones son fallos de hardware, fallos de software, entrada de datos incorrectos o eventos anómalos (como resultados inesperados. ej: división por cero). Según la gravedad de cada excepción, éstas pueden ser catastróficas (ej: fallo en el suministro eléctrico), irrecuperables (desborde de pila) o recuperables (ej: desborde de arreglo).
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Concurrencia
La concurrencia de procesos es una situación deseada en un sistema operativo, pero no es gratis porque además de agregar complejidad al sistema causa diversos problemas:
• i nanición :
cuando se
posterga la
ejecución de un
proceso indefinidamente.
• b loqueo mutuo (espera circular): cuando se forma una
cadena en la que un proceso A tiene los recursos que
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necesita B, y el proceso B tiene los recursos que necesita el A.
• c ondición de carrera : 2 o más procesos compiten por
el uso
de la CPU y los recursos. El primero que
llegue será el beneficiado. Se debe manejar esta
situación para lograr "justicia" en la ejecución.
• c ondición de exclusión mutu a: Cuando un proceso usa
un
recurso del sistema y no se debe ni puede
interrumpir para mantener la consistencia de los
datos. A la parte del código que usa los
recursos se
le llama sección crítica.
• c ondición de apropiación de recursos: hay procesos
que se
pueden apropiar de algunos recursos
indefinidamente o por un largo tiempo. Ocurre a
menudo con procesos apropiativos. Esto también se
debe gestionar y solucionar.
• c ondición de espera activa : cuando un proceso ocupa
ciclos de CPU sólo esperando la liberación de algún
recurso. Provoca un uso ineficiente de los recursos
y se
debe evitar a toda costa. Relacionada con el
DMA (acceso directo a memoria) y con las
interrupciones.
H ilo s
Los hilos son procesos ligeros que se componen de
registros, un espacio de pila y un contador de programa.
Los hilos comparten su código ejecutable, su pila y los
recursos que utiliza. Con el uso de hilos deja de ser
necesaria la costosa conmutación de contexto de uno a otro
proceso.
Los hilos son especiales para realizar procesamiento
paralelo, pero esto incurre en algunos problemas como la
consistencia de datos, para lo que se usan distintos
mecanismos para solucionarlos como secciones críticas y
cerraduras.
Los hilos pueden estar a nivel del núcleo del sistema
operativo o a nivel de usuario.
• Hilos a nivel usuario: su ventaja es que tienen
mejor desempeño porque no se deben hacer
llamadas al
núcleo. Su desventaja es que el bloqueo de un hilo
produce el bloqueo del resto de los hilos de la
tarea.
• Hilos a nivel del núcleo: Su ventaja es que el
bloqueo de uno de ellos no afecta al resto. Su
desventaja es que la conmutación de un hilo
a otro
se hace mediante interrupciones, que producen
sobrecarga.
Dos ejemplos de uso intensivo de hilos son el sistema operativo de tiempo real Solaris 2; y el lenguaje Java, ambos de Sun Microsystems.
Sincronización
Al haber procesos concurrentes se deben emplear mecanismos para asegurar la consistencia de los datos. Como ejemplo, supongamos que tenemos 3 procesos concurrentes que quieren modificar un mismo archivo. Si los 3 acceden a este al mismo tiempo el archivo quedará con valores incorrectos. Para resolver problemas como este se ideó la sección crítica, que es el segmento de código que accede a los recursos. Sólo puede haber una sección crítica en ejecución por vez, así nos aseguramos que los datos quedan consistentes.
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espera que deseados desuso. Se compone de "espera con mutex", y "algoritmo de Dekker". |
Los mecanismos para manejar la sincronización se
clasifican en 2 grandes grupos, espera activa y
inactiva.
El enfoque de espera activa se basa en procesos
consumen tiempo mientras esperan, son los menos
han quedado en
"alternancia",
y
Los mecanismos de espera inactiva no mientras esperan. Se clasifican en:
consumen recursos
Semáforo: Un semáforo es un mutex con espera inactiva que tiene 2 operaciones, señal(entero) y espera(entero). Se implementa como una estructura que contiene un número entero y una lista de procesos. La operación espera(entero) agrega un proceso en la lista del semáforo, mientras que señal(entero) selecciona un proceso de esta lista para ejecutar.
Ejemplos:
