Qual
a importância dos Sistemas Operacionais?
R.
O sistema operacional é importante porque ele quem
define o ambiente no qual o usuário interage como computador.
O
que é Sistema Operacional?
Um sistema operacional (SO) é uma coleção de
programas que inicializam o hardware do computador. Fornece rotinas básicas
para controle de dispositivos. Fornece gerência, escalonamento e interação de
tarefas. Mantém a integridade de sistema.
Sistema
Operacional é o mesmo que Sistema Computacional?
R. Não, pois, o Sistema Operacional (SO) é
uma coleção de programas que inicializam o hardware do computador. Já o Sistema
Computacional consiste num conjunto de dispositivos eletrônicos (hardware)
capazes de processar informações de acordo com um programa (software).
O
que é um Sistema Computacional? Defina seus componentes.
R. Um sistema computacional é aquele que automatiza
ou apoia a realização de atividades humanas através do processamento de
informações. Seus componentes são: Hardware; Software; Informações; Usuários;
Procedimentos ou Tarefas; Documentação.
O
que é um processo?
Um processo ou
tarefa é uma porção de um programa em alguma fase de execução. Um programa pode
consistir de várias tarefas, cada uma com funcionamento próprio ou como uma
unidade (talvez se comunicando entre si periodicamente).
Estrutura
dos Sistemas Operacionais
1.
Monolíticos.
R.
No modelo monolítico, não há estruturação visível, como o próprio nome diz
(mono=um), o SO consiste em um conjunto de procedimentos independentes, que
pode chamar uns aos outros e que são combinados em um único programa para
formar o kernel (núcleo) do Sistema Operacional. As vantagens são: é
simplicidade e grande desempenho e como desvantagem, uma falha pode paralisar
todo o núcleo.
2.
Em camadas.
R.
O SO é dividido em camadas sobrepostas, onde cada módulo oferece um conjunto de
funções que podem ser utilizadas por outros módulos. Módulos de uma camada
podem fazer referências apenas aos módulos das camadas inferiores. A vantagem
neste tipo de estruturação é isolar as funções do SO, facilitando sua alteração
e depuração, além de criar uma hierarquia de níveis de acesso que permite
proteger as camadas mais internas. Como desvantagem, cada nova camada implica
uma mudança no modo de acesso.
3.
Máquinas Virtuais.
R.
Uma máquina virtual é uma cópia via software que busca simular uma máquina
real. Uma máquina virtual (Virtual Machine – VM) pode ser definida como “uma
duplicata eficiente e isolada de uma máquina real”. Sua memória, processador e
outros recursos são virtualizados. A virtualização é a interposição do software
(máquina virtual) em várias camadas do sistema. É uma forma de dividir os
recursos de um computador em múltiplos ambientes de execução. Como vantagens:
flexibilidade no SO e a desvantagem, como simular diversas máquinas virtuais
não é uma tarefa simples, pode ocorrer sobrecarga nesse SO.
4.
Arquitetura Micro-kernel;
R.
Tem a idéia de tornar o núcleo menor e mais simples possível e para implementar
esta idéia o sistema é dividido em processos. Desta forma, sempre que uma
aplicação desejar algum serviço ela solicitará ao processo responsável, assim,
a aplicação que solicita um serviço é chamada de cliente e o processo que
responde a solicitação é chamado de servidor.
5.
Cliente-Servidor.
R.
Sistemas Cliente-Servidor são modelos de computação que disntiguem dois tipos
básicos de equipamentos computacionais: clientes e servidores, sendo
interligados entre si e geralmente utilizam uma rede de computadores. Neste
modelo, geralmente os servidores agregam as funções mais importantes do
sistema, deixando aos clientes apenas o processamento de aplicações mais
básicas.
Aulas
5 – Algoritmo para escalonamento de processos
Algoritmos
de Escalonamento de Sistemas em Batch:
Três
níveis:
Escalonador
De Admissão: decide qual job será admitido no sistema. Por
exemplo, uma mescla de Jobs orientados a CPU e orientados à E/S; Processos com
menor tempo de acesso à CPU e maior tempo de interação com dispositivos de E/S;
Escalonador
Da Memória: decisões sobre quais processos vão para a MP: Há quanto
tempo o processo está esperando? Quanto tempo da CPU o processo já utilizou? Qual
o tamanho do processo? Qual a importância do processo?
Escalonador
da CPU: seleciona qual o próximo processo a ser executado;
Algoritmo
First-Come First-Served (ou FIFO):
Não-preemptivo (CPU não controla o tempo dos
processos!); Processos são executados na CPU seguindo a ordem de requisição; Fácil
de entender e programar;
Desvantagem:
Ineficiente quando se tem processos que demoram na
sua execução;
Algoritmo
Shortest Job First (SJF) (o primeiro processo que entra é o mais curto):
Não-preemptivo; Possível prever o tempo de execução
do processo (por que percorre todos os processos para verificar qual menor); Menor
processo é executado primeiro; Menor turnaround (tempo em que o usuário espera
pela saída do processo);
Desvantagem:
Baixo aproveitamento quando se tem poucos processos
prontos para serem executados;
Shortest
Remaining Time Next (SRTN) (executar o processo com menor tempo de execução
mais curto.):
Não - Preemptivo; Processos com menor tempo de
execução são executados primeiro; Se um processo novo chega e seu tempo de
execução é menor do que do processo corrente na CPU, a CPU suspende o processo
corrente e executa o processo que acabou de chegar;
Desvantagem: processos que consomem mais tempo podem demorar muito para serem
finalizados se muitos processos pequenos chegarem!
Algoritmos
de Escalonamento para Sistemas Interativos:
Utilizam
escalonamento em dois níveis (escalonador da CPU e memória);
Algoritmo
Round-Robin:
Antigo, mais simples e mais utilizado; Preemptivo; Cada
processo recebe um tempo de execução chamado quantum; ao final desse tempo, o processo
é suspenso e outro processo é colocado em execução; Escalonador mantém uma
lista de processos prontos; Quantum: se for muito pequeno, ocorrem
muitas trocas diminuindo, assim, a eficiência da CPU; se for muito longo o
tempo de resposta é comprometido;
Algoritmo
com Prioridades:
Cada processo possui uma prioridade > os
processos prontos com maior prioridade são executados primeiro; Prioridades são
atribuídas dinâmica ou estaticamente; Classes de processos com mesma
prioridade; Preemptivo;
Como
evitar que os processos com maior prioridade sejam executados indefinidamente?
Diminuir a prioridade do processo corrente a cada interrupção
do relógio e trocá-lo pelo próximo processo assim que sua prioridade caia
abaixo da prioridade do próximo processo com prioridade mais alta
(chaveamento); Atribuir um quantum máximo no qual o processo pode executar;
Algoritmo
de Múltiplas Filas:
CTSS (Compatible Time Sharing System); Classes de
prioridades; Preemptivo; Cada classe de prioridades possui quantum diferentes; Assim,
a cada vez que um processo é executado e suspenso ele recebe mais tempo para
execução, mas passa para uma fila com menor prioridade de execução.
Algoritmo
Shortest Process Next(Próximo processo mais curto.);
Mesma idéia do Shortest Job First; Processos
Interativos: não se conhece o tempo necessário para execução; Solução:
realizar uma estimativa com base no comportamento passado e executar o processo
cujo tempo de execução estimado seja o menor;
Algoritmo
Garantido;
Garantias são dadas aos processos dos usuários; Exemplo:
n processos > 1/n do tempo de CPU para cada processo: Deve ser mantida taxa
de utilização de cada processo; Tem prioridade o que estiver mais distante do
prometido. Difícil de implementar.
Algoritmo
Lottery;
Cada processo recebe “tickets” que lhe dão direito
de execução; A cada troca de processo um “tickets” é sorteado; O dono dos
“tickets” sorteado recebe o direito de ocupar a CPU; Possível definir
prioridade entre os processos por meio do número de “tickets” atribuído a cada
processo; Fácil de implementar e de adaptar.
Algoritmo
por Fração Justa (Fair-Share);
O escalonamento é feito considerando o dono dos
processos; Cada usuário recebe uma fração da CPU e processos são escalonados
visando garantir essa fração; Se um usuário A possui mais processos que um usuário
B e os dois têm a mesma prioridade, os processos de A demorarão mais que os do
B.
Algoritmos
de Escalonamento de Sistemas em Tempo Real:
Tempo é um fator crítico; Sistemas críticos: Aviões;
Hospitais; Usinas Nucleares; Bancos; Multimídia;
Ponto importante: obter respostas em atraso é tão
ruim quanto não obter respostas;
Tipos
de STR:
Hard
Real Time: atrasos não são tolerados: Aviões, usinas
nucleares, hospitais;
Soft
Real Time: atrasos são tolerados: Bancos; Multimídia;
Programas são divididos em vários processos; Eventos
causam a execução de processos: Periódicos: ocorrem em intervalos
regulares de tempo; Aperiódicos: ocorrem em intervalos irregulares de tempo;
Algoritmos podem ser: Estáticos: decisões de
escalonamento antes do sistema começar;
Informação disponível previamente; Dinâmicos:
decisões de escalonamento em tempo de execução;
Aula
06 –Thread
Processos
Sistemas Operacionais tradicionais: Cada processo
tem um único espaço de endereçamento e um único fluxo de controle. Existem
situações onde é desejável ter múltiplos fluxos de controle compartilhando o
mesmo espaço de endereçamento: Solução: THREADS
THREADS
Um processo tradicional (pesado) possui um contador
de programas, um espaço de endereço e apenas uma thread de controle (ou fluxo
de controle);
Multithreading: Sistemas atuais suportam múltiplas threads de controle, ou seja, pode
fazer mais de uma tarefa ao mesmo tempo, servindo ao mesmo propósito;
Thread é uma entidade básica de utilização da CPU. Também
conhecidos como processos leves (lightweight process ou LWP); Processos com
múltiplas threads podem realizar mais de uma tarefa de cada vez; Processos são
usados para agrupar recursos; Threads são as entidades escalonadas para execução
na CPU: A CPU alterna entre as threads dando a impressão de que elas estão
executando em paralelo; Como cada thread pode ter acesso a qualquer endereço de
memória dentro do espaço de endereçamento do processo, uma thread pode ler,
escrever ou apagar a pilha de outra thread; Não existe proteção pois: Não é
necessário pois, diferente dos processos que podem pertencer a diferentes
usuários, as threads são sempre de um mesmo usuário.
Razões
para existência de threads:
Em múltiplas aplicações ocorrem múltiplas atividades
“ao mesmo tempo”, e algumas dessas atividades podem bloquear de tempos em
tempos; As threads são mais fáceis de gerenciar do que processos, pois elas não
possuem recursos próprios > o processo é que tem!
Desempenho: quando há grande quantidade de E/S, as threads permitem que essas
atividades se sobreponham, acelerando a aplicação; Paralelismo Real em sistemas
com múltiplas CPUs.
Considere
um navegador WEB:
Muitas páginas WEB contêm muitas figuras que devem
ser mostradas assim que a página é carregada;
Para cada figura, o navegador deve estabelecer uma
conexão separada com o servidor da página e requisitar a figura > tempo; Com
múltiplas threads, muitas imagens podem ser requisitadas ao mesmo tempo
melhorando o desempenho;
Benefícios
das Threads:
Capacidade
de resposta: aplicações interativas. Ex.: servidor WEB;
Compartilhamento
de recursos: mesmo endereçamento, memória, recursos;
Economia: criar e realizar chaveamento de threads é mais barato;
Utilização
de arquiteturas multiprocessador: processamento
paralelo;
Tipos
de threads:
Em
modo usuário (espaço do usuário):
Implementadas por bibliotecas no espaço do usuário; Criação e
escalonamento são realizados sem o conhecimento do kernel; Sistema
Supervisor (run-time system): coleção de
procedimentos que gerenciam as threads; Tabela de
threads para cada processo;
Cada processo possui sua própria tabela de threads,
que armazena todas a informações referentes à cada thread relacionada àquele
processo;
Vantagens:
Alternância de threads no nível do usuário é mais
rápida do que alternância no kernel; Menos chamadas ao kernel são realizadas; Permite
que cada processo possa ter seu próprio algoritmo de escalonamento; Podem ser
implementado em Sistemas Operacionais que não têm threads.
Principal
desvantagem: Processo inteiro é bloqueado se uma thread realizar
uma chamada bloqueante ao sistema;
Em
modo kernel:
Suportadas diretamente pelo SO;
Criação, escalonamento e gerenciamento são feitos
pelo kernel:
Tabela de threads e tabela de processos separadas: As
tabelas de threads possuem as mesmas informações que as tabelas de threads em
modo usuário, só que agora estão implementadas no kernel;
Vantagem:
Processo inteiro não é bloqueado se uma thread
realizar uma chamada bloqueante ao sistema;
Desvantagem:
Gerenciar threads em modo kernel é mais caro devido
às chamadas de sistema durante a alternância entre modo usuário e modo kernel;
Modelos
Multithreading:
Muitos-para-um: (Green Threads e GNU Portable Threads)
Mapeia muitas threads de usuário em apenas uma
thread de kernel;
Não permite múltiplas threads em paralelo em multiprocessadores;
Gerenciamento Eficiente
Se uma bloquear todas bloqueiam
Um-para-um: (Linux, Família Windows, OS/2, Solaris 9)
Mapeia para cada thread de usuário uma thread de
kernel;
Permite múltiplas threads em paralelo;
Problema – criação de thread no kernel prejudica o
desempenho.
Muitos-para-muitos: (Solaris até versão 8, HP-UX, Tru64 Unix, IRIX)
Mapeia para múltiplos threads de usuário um número
menor ou igual de threads de kernel;
Permite múltiplas threads em paralelo;
Estados
das Threads: executando, pronta, bloqueada;
Comandos
para manipular threads: Thread_create; Thread_exit; Thread_wait;
Thread_yield (permite que uma thread desista voluntariamente da CPU);
Aula
07 –Deadlock
Dispositivos e recursos são compartilhados a todo o
momento: impressora, disco, arquivos, etc...;
Deadlock: processos ficam parados sem possibilidade de poderem continuar seu
processamento;
Recursos
Recursos:
objetos acessados, os quais podem ser tanto hardware
quanto uma informação.
Preemptivos: podem ser retirados do processo sem prejuízos: Memória; CPU;
Não-preemptivos: não podem ser retirados do processo, pois causam prejuízos: CD-ROM; Unidades
de fita;
DEADLOCKS
ocorrem com recursos não-preemptivos;
Operações
sobre recursos/dispositivos:
Requisição do recurso; Utilização do recurso;
Liberação do recurso;
Se
o recurso requerido não está disponível, duas situações podem ocorrer:
Processo que requisitou o recurso fica bloqueado até
que o recurso seja liberado, ou;
Processo que requisitou o recurso falha, e depois de
um certo tempo tenta novamente requisitar o recurso;
Aquisição
do recurso:
Para alguns tipos de recursos, os processos dos
usuários gerenciam o uso dos recursos, através, por exemplo, de semáforos: Exemplo:
acesso a registros em um sistema de banco de dados.
Se vários processos tentam acessar os mesmos recursos,
podem ocorrer situações onde a ordem de solicitação dos recursos pode conduzir
ao um deadlock ou não.
O
que é um DEADLOCK?
R. “Um conjunto de processos estará em situação de
deadlock se todo processo pertencente ao conjunto estiver esperando por um
evento que somente um outro processo desse mesmo conjunto poderá fazer
acontecer.”
Quatro
condições para que ocorra um deadlock:
Exclusão
mútua: cada recurso pode estar somente em uma de duas
situações: ou associado a um único processo ou disponível;
Posse
e espera (hold and wait): processos que já possuem algum
recurso podem requer outros recursos;
Não-preempção: recursos já alocados não podem ser retirados do processo que os alocou;
somente o processo que alocou os recursos pode liberá-los;
Espera
Circular: um processo pode esperar por recursos alocados a
outro processo;
Todas as condições devem ocorrer para que ocorra um
deadlock.
Geralmente, deadlocks são representados por grafos a
fim de facilitar sua detecção, prevenção e recuperação:
Ocorrência de ciclos pode levar a um deadlock;
a) Recurso R alocado ao Processo A;
b) Processo B requisita Recurso S;
c) Deadlock.
Aula
8 - Gerenciamento de Memória
Memória - recurso muito importante;
Tendência atual do software: Lei de Parkinson: “Os
programas se expandem para preencher a memória disponível para eles”
(adaptação);
Requisitos:
Muito grande; Rápida; Não volátil; Baixo custo.
Hierarquia
de Memória:
Cache
– vários sub-níveis: Pequena quantidade – k/M bytes; Alto custo por byte;
Muito rápida; Volátil.
Memória
Principal: Quantidade intermediária – M/G bytes; Custo médio
por byte; Velocidade média; Volátil.
Disco:
Grande quantidade – G/T bytes; Baixo custo por byte;
Lenta; Não volátil.
Para
cada tipo de memória: gerenciar espaços
livres/ocupados; Alocar processos/dados na memória; Localizar dado.
Entre
os níveis de memória: Gerenciar trocas.
Gerenciador de memória: responsável por alocar e liberar espaços na memória para os processos em
execução; também responsável por gerenciar chaveamento entre os níveis de
memória: principal e disco; principal e cache.
A função principal da memória é a alocação de áreas contíguas (memória) e fragmentação dos dados em
memória.
Tipos básicos de gerenciamento:
Com paginação (chaveamento): Processos são movidos entre a memória principal e o disco; artifício
usado para resolver o problema da falta de memória; Se existe MP suficiente não
há necessidade de se ter paginação;
Sem paginação: não há
chaveamento;
Monoprogramação:
Sem
paginação: gerenciamento mais simples; Apenas um processo na
memória;
Modelo de Multiprogramação:
Múltiplos processos sendo executados; Eficiência da
CPU;
Vários
processos na memória: como proteger os processos uns
dos outros? E kernel de todos os processos? Como tratar a realocação? Todas as
soluções envolvem equipar a CPU com um hardware especial: MMU (memory
management unit).
Realocação:
Quando um programa é montado (link), i.e. programa
principal + rotinas do usuário + rotinas da biblioteca > executável, o
montador (linker) deve saber em que endereço o programa irá iniciar na memória;
Nesse caso, para que o montador não escreva em um
local indevido (por exemplo na área do SO), é preciso de realocação.
Proteção:
Com várias partições e programas ocupando diferentes
espaços da memória é possível acontecer um acesso indevido;
Solução
para ambos os problemas:
Dois registradores > base e limite:
Quando um processo é escalonado o registrador - base
é carregado com o endereço de início da partição e o registrador - limite com o
tamanho da partição; O registrador - base torna impossível a um processo uma remissão
a qualquer parte de memória abaixo de si mesmo. Automaticamente, a MMU adiciona
o conteúdo do registrador - base a cada endereço de memória gerado; Endereços
são comparados com o registrador - limite para prevenir acessos indevidos;
Partições
Particionamento da memória pode ser realizado de
duas maneiras:
Partições
fixas (alocação estática): Tamanho e número de partições
são fixos (estáticos); Não é atrativo, porque partições fixas tendem a
desperdiçar memória (Qualquer espaço não utilizado é literalmente perdido); Mais
simples;
Partições
variáveis (alocação dinâmica): Tamanho e número de partições
variam; Otimiza a utilização da memória, mas complica a alocação e liberação da
memória; Partições são alocadas dinamicamente; SO mantém na memória uma lista
com os espaços livres; Menor fragmentação interna e grande fragmentação
externa; Solução: Compactação;
Minimizar espaço de memória inutilizado:
Compactação: necessária para recuperar os espaços perdidos por fragmentação; no entanto,
muito custosa para a CPU;
Técnicas
para alocação dinâmica de memória:
Bitmaps:
Memória é dividida em unidades de alocação em
kbytes; Cada unidade corresponde a um bit no bitmap: 0 > livre 1 > ocupado;
Tamanho do bitmap depende do tamanho da unidade e do tamanho da memória; Ex.:
Unidades de alocação pequenas > bitmap grande; Unidades de alocação grandes
> perda de espaço;
Listas
Encadeadas.
O
que fazer quando não existe espaço suficiente para todos os processos ativos?
Swapping
Chaveamento de processos inteiros entre a memória
principal e o disco. Transferência do processo da memória principal para a
memória secundária (normalmente disco): Swap-out; Transferência do
processo da memória secundária para a memória principal: Swap-in; Pode
ser utilizado tanto com partições fixas quanto com partições variáveis;
Overlays > Memória Virtual
Programas são divididos em pedaços menores; Pedaços
são chaveados entre a memória principal e o disco.
Memória Virtual (MV)
Programas maiores que a memória eram divididos em
pedaços menores chamados overlays > programador;
Desvantagem: custo muito alto;
Memória
Virtual: Sistema operacional é responsável por dividir o programa
em overlays;
Sistema operacional realiza o chaveamento desses
pedaços entre a memória e o disco;
