2.1 CONCEPTO DE PROCESO

Un proceso es una abstracción que hace referencia a cada caso de ejecución de un programa.

Un proceso no tiene por qué estar siempre en ejecución. La vida de un proceso pasa por varias fases, incluyendo la ejecución

Si se abre 2 terminales y se  ejecutan tenemos dos procesos ejecutando el mismo programa.En este caso (lo habitual) cada proceso es secuencial.

Concurrencia: su ejecución parece simultánea pero, en realidad, la CPU salta de uno a otro. Es lo que llamamos sistema operativo multitarea.

Mientras ejecuta un proceso, el otro está en espera.

Cuando hay varias CPUs podemos tener ejecución paralela. Pero cada CPU sólo puede ejecutar un proceso a la vez

Tipos de procesos:

1. Según su diseño:

• Reutilizables: se cargan en memoria cada vez que se usan. Los programas de usuario suelen ser de este tipo.
• Reentrantes: se carga una sola copia del código en memoria. Cada vez que se usan se crea un nuevo proceso con su zona de datos propia, pero compartiendo el código

           2. Según su acceso a CPU y recursos:

•    Apropiativos: acceden a los recursos y sólo los abandonan de forma voluntaria (mediante instrucción CPU).
• ·   No apropiativos: permiten a otros procesos apropiarse de los recursos que ahora poseen.

     3.    Según su permanencia en memoria:

•    Residentes: tienen que permanecer en memoria durante toda su evolución (desde creación hasta terminación).
•     Intercambiables (swappable): es lo más normal. El SO puede decidir llevarlos a disco a lo largo de su evolución.

     4. Según su nivel de privilegio (no en todos los SO):

•     Privilegiados: se ejecutan en modo supervisor.
•     No privilegiados: los que normalmente ejecuta el usuario.

     5.  Según su propietario:

•    Procesos de usuario: son los diseñados por los usuarios. Se ejecutan en modo no protegido.
•    Procesos del sistema: son los que forman parte del SO (de E/S, de planificación de otros procesos, etc).

2.2 ESTADOS Y TRANSICIONES

Un proceso puede estar en cualquiera de los siguientes tres estados: Listo, En ejecución y Bloqueado.

Los procesos en el estado listo son los que pueden pasar a estado de ejecución si el planificador los selecciona. Los procesos en el estado ejecución son los que se están ejecutando en el procesador en ese momento dado. Los procesos que se encuentran en estado bloqueado están esperando la respuesta de algún otro proceso para poder continuar con su ejecución.

Un proceso puede variar entre 5 distintos estados:

• New: cuando el proceso esta siendo creado.
• Running: cuando el proceso se esta ejecutando.
• Waiting: cuando el proceso esta esperando que se cumpla algún otro evento.
• Ready: cuando el proceso esta pronto para ejecutar, esperando por la CPU.
• Terminated: cuando el proceso esta terminado.

Estado de los Procesos

Los bloques de control de los procesos se almacenan en colas, cada una de las cuales representa un estado particular de los procesos, existiendo en cada bloque, entre otras informaciones. Los estados de los procesos son internos del sistema operativo y transparentes al usuario.

Los estados de los procesos se pueden dividir en dos tipos: activos e inactivos.

1.- Estados activos
Son aquellos que compiten con el procesador o están en condiciones de hacerlo. Se dividen en:

Ejecución:Estado en el que se encuentra un proceso cuando tiene el control del procesador. En un sistema monoprocesador este estado sólo lo puede tener un proceso.

Preparado: Aquellos procesos que están dispuestos para ser ejecutados, pero no están en ejecución por alguna causa (Interrupción, haber entrado en cola estando otro proceso en ejecución, etc.).

Bloqueado: Son los procesos que no pueden ejecutarse de momento por necesitar algún recurso no disponible (generalmente recursos de entrada/salida).


2.- Estados inactivos
Son aquellos que no pueden competir por el procesador, pero que pueden volver a hacerlo por medio de ciertas operaciones. En estos estados se mantiene el bloque de control de proceso aparcado hasta que vuelva a ser activado. Se trata de procesos que no han terminado su trabajo que lo han impedido y que pueden volver a activarse desde el punto en que se quedaron sin que tengan que volver a ejecutarse desde el principio.


Son de dos tipos:


Suspendido bloqueado: Es el proceso que fue suspendido en espera de un evento, sin que hayan desaparecido las causas de su bloqueo.


Suspendido programado: Es el proceso que han sido suspendido, pero no tiene causa parta estar bloqueado.

TRANSICIONES

Un proceso puede encontrarse en estado de ejecución, bloqueado o listo (que también se llama ejecutable). De estos estados de los procesos se derivan las siguientes transiciones y estados:

Transición: El paso de un estado a otro.
   1. El proceso se bloquea en la entrada.
   2. El planificador elige otro proceso.
   3. El planificador elige este proceso.
   4. La entrada se vuelve disponible.

 Estados:

    1. Ejecución (que en realidad hace uso del CPU en ese instante).

    2. Bloqueado (incapaz de correr hasta que suceda algún evento externo.

    3. Listo (ejecutable; se detiene temporalmente para permitir que se ejecute otro proceso).

En estos tres estados son posibles cuatro transiciones:


1. Ocurre cuando un proceso descubre que no puede continuar. En algún sistema el proceso debe ejecutar una llamada al sistema, BLOCK, para entrar en estado bloqueado.

2 y 3. Son ocasionadas por el planificador del proceso, que es parte del sistema operativo sin que el proceso llegue a saber de ella.

2. Ocurre cuando el planificador decide que el proceso en ejecución ya ha corrido el tiempo suficiente y es tiempo de permitir que otro proceso tome tiempo de CPU.

3. Ocurre cuando todos los procesos han utilizado su parte del tiempo y es hora de que el primer proceso vuelva a correr.

4. Ocurre cuando aparece el evento externo que estaba esperando un proceso (como el arribo de alguna entrada). Si ningún otro proceso corre en ese instante, la transición 3 se activará de inmediato y el proceso iniciara su ejecución, de lo contrario tendrá que esperar, en estado listo.

2.3 PROCESOS LIGEROS: HILOS O HEBRAS

En sistemas operativos, un hilo de ejecución, hebra o subproceso es una secuencia de tareas encadenadas muy pequeña que puede ser ejecutada por un sistema operativo.

La destrucción de los hilos antiguos por los nuevos es una característica que no permite a una aplicación realizar varias tareas a la vez (concurrentemente). Los distintos hilos de ejecución comparten una serie de recursos tales como el espacio de memoria, los archivos abiertos, la situación de autenticación, etc. Esta técnica permite simplificar el diseño de una aplicación que debe llevar a cabo distintas funciones simultáneamente.

Un hilo es simplemente una tarea que puede ser ejecutada al mismo tiempo que otra tarea.

Los hilos de ejecución que comparten los mismos recursos, sumados a estos recursos, son en conjunto conocidos como un proceso. El hecho de que los hilos de ejecución de un mismo proceso compartan los recursos hace que cualquiera de estos hilos pueda modificar estos recursos. Cuando un hilo modifica un dato en la memoria, los otros hilos acceden a ese dato modificado inmediatamente.

Lo que es propio de cada hilo es el contador de programa, la pila de ejecución y el estado de la CPU (incluyendo el valor de los registros).

El proceso sigue en ejecución mientras al menos uno de sus hilos de ejecución siga activo. Cuando el proceso finaliza, todos sus hilos de ejecución también han terminado. Asimismo en el momento en el que todos los hilos de ejecución finalizan, el proceso no existe más y todos sus recursos son liberados.

Algunos lenguajes de programación tienen características de diseño expresamente creadas para permitir a los programadores lidiar con hilos de ejecución (como Java o Delphi). Otros (la mayoría) desconocen la existencia de hilos de ejecución y estos deben ser creados mediante llamadas de biblioteca especiales que dependen del sistema operativo en el que estos lenguajes están siendo utilizados (como es el caso del C y del C++).

Funcionalidad de los hilos

Al igual que los procesos, los hilos poseen un estado de ejecución y pueden sincronizarse entre ellos para evitar problemas de compartición de recursos. Generalmente, cada hilo tiene una tarea específica y determinada, como forma de aumentar la eficiencia del uso del procesador.

Estados de un hilo

Los principales estados de los hilos son: Ejecución, Listo y Bloqueado. No tiene sentido asociar estados de suspensión de hilos ya que es un concepto de proceso. En todo caso, si un proceso está expulsado de la memoria principal (RAM), todos sus hilos deberán estarlo ya que todos comparten el espacio de direcciones del proceso.

Cambio de estados:

• Creación: Cuando se crea un proceso se crea un hilo para ese proceso. Luego, este hilo puede crear otros hilos dentro del mismo proceso, proporcionando un puntero de instrucción y los argumentos del nuevo hilo. El hilo tendrá su propio contexto y su propio espacio de la columna, y pasará al final de los Listos.
• Bloqueo: Cuando un hilo necesita esperar por un suceso, se bloquea (salvando sus registros de usuario, contador de programa y punteros de pila). Ahora el procesador podrá pasar a ejecutar otro hilo que esté al principio de los Listos mientras el anterior permanece bloqueado.
• Desbloqueo: Cuando el suceso por el que el hilo se bloqueó se produce, el mismo pasa a la final de los Listos.
• Terminación: Cuando un hilo finaliza se liberan tanto su contexto como sus columnas.

2.4 CONCURRENCIA Y SECUENCIALIDAD

Es la existencia de varias actividades ejecutándose simultáneamente, y necesitan sincronizarse para actuar conjuntamente. Se trata, en este caso, de un concepto lógico, ya que sólo hace referencia a las actividades, sin importar el número de procesadores presentes.

Para que dos actividades, sean concurrentes, es necesario que tengan relación entre sí, como puede ser la cooperación en un trabajo determinado o el uso de información compartida.

Los procesos son concurrentes si existen simultáneamente. Los procesos concurrentes pueden funcionar en forma totalmente independiente unos de otros, o pueden ser asíncronos, lo cual significa que en ocasiones requiere cierta sincronización y cooperación.

En un sistema monoprocesador, la existencia de multiprogramación es condición necesaria, pero no suficiente para que exista concurrencia, ya que los procesos pueden ejecutarse independientemente. Por ejemplo, un editor y un compilador pueden estar ejecutándose simultáneamente en una computadora sin que exista concurrencia entre ellos. Por otro lado si un programa se está ejecutando y se encuentra grabando datos en un archivo, y otro programa también en ejecución está leyendo datos de ese mismo archivo, sí existe concurrencia entre ellos, pues el funcionamiento de uno interfiere en el funcionamiento de otro.

Si un sistema es multiprocesador, también pueden presentarse situaciones de concurrencia siempre y cuando las actividades necesiten actuar entre sí, bien por utilizar información común, o por cualquier otra causa.

Los procesos del sistema pueden ejecutarse concurrentemente, puede haber múltiples tareas en el CPU con varios procesos. Existen varias razones para permitir la ejecución concurrente:

• Compartir recursos físicos: Ya que los recursos del hardware de la computadora son limitados, nos podemos ver obligados a compartirlos en un entorno multiusuario.
• Compartir recursos lógicos: Puesto que varios usuarios pueden interesarse en el mismo elemento de información (por ejemplo un archivo compartido), debemos proporcionar un entorno que permita el acceso concurrente a estos tipos de recursos.
• Acelerar los cálculos: Si queremos que una tarea se ejecute con mayor rapidez, debemos dividirla en subtareas, cada una de las cuales se ejecutara, en paralelo con las demás.
• Modularidad: Podremos construir el sistema en forma modular, dividiendo las funciones del sistema en procesos separados.
• Comodidad: Un usuario puede tener que ejecutar varias tareas a la vez, por ejemplo puede editar, imprimir y compilar en paralelo.

La ejecución concurrente que requiere la cooperación entre procesos necesita un mecanismo para la sincronización y comunicación de procesos, exclusión mutua y sincronización.

2.5 NIVELES, OBJETIVOS Y CRITERIOS DE PLANIFICACION

La planificación es el proceso por el cual el sistema operativo selecciona que proceso ejecutar. La selección del proceso se basa en alguno de los algoritmos de planificación.
La planificación de la CPU, en el sentido de conmutarla entre los distintos procesos, es una de las funciones del sistema operativo. Este despacho es llevado a cabo por un pequeño programa llamado planificador a corto plazo o dispatcher (despachador). La misión del dispatcher consiste en asignar la CPU a uno de los procesos ejecutables del sistema, para ello sigue un determinado algoritmo.
Los acontecimientos que pueden provocar la llamada al dispatcher dependen del sistema (son un subconjunto de las interrupciones), pero son alguno de estos:

• El proceso en ejecución acaba su ejecución o no puede seguir ejecutándose (por una E/S, operación WAIT, etc).
• Un elemento del sistema operativo ordena el bloqueo del proceso en ejecución
• El proceso en ejecución agota su cuantum o cuanto de estancia en la CPU.
• Un proceso pasa a estado listo.

Hay que destacar el hecho de que cuanto menos se llame al dispatcher menos tiempo ocupa la CPU un programa del sistema operativo, y, por tanto, se dedica más tiempo a los procesos del usuario (un cambio de proceso lleva bastante tiempo).
Así, si sólo se activa el dispatcher como consecuencia de los 2 primeros acontecimientos se estará haciendo un buen uso del procesador. Este criterio es acertado en sistemas por lotes en los que los programas no son interactivos. Sin embargo, en un sistema de tiempo compartido no es adecuado, pues un proceso que se dedicara a realizar cálculos, y no realizara E/S, monopolizaría el uso de la CPU. En estos sistemas hay que tener en cuenta el conjunto de todos los procesos, activándose el dispatcher con la circunstancia tercera y, posiblemente, la cuarta. Los sistema operativos en que las dos siguientes circunstancias no provocan la activación del dispatcher muestran preferencia por el proceso en ejecución, si no ocurre esto se tiene más en cuenta el conjunto de todos los procesos.

Se puede definir el scheduling -algunas veces traducido como -planificación- como el conjunto de políticas y mecanismos construidos dentro del sistema operativo que gobiernan la forma de conseguir que los procesos a ejecutar lleguen a ejecutarse.
El scheduling está asociado a las cuestiones de:

Cuándo introducir un nuevo proceso en el Sistema.
Determinar el orden de ejecución de los procesos del sistema.El scheduling está muy relacionado con la gestión de los recursos. 

Existen tres niveles de scheduling, estos niveles son:

• Planificador de la CPU o a corto plazo.
• Planificador a medio plazo.
• Planificador a largo plazo.

En la planificación de procesos se suelen incluir varios niveles, en función del periodo temporal que cubren
Planificación a largo plazo
Este planificador está presente en algunos sistemas que admiten además de procesos interactivos trabajos por lotes. Usualmente, se les asigna una prioridad baja a los trabajos por lotes, utilizándose estos para mantener ocupados a los recursos del sistema durante períodos de baja actividad de los procesos interactivos. Normalmente, los trabajos por lotes realizan tareas rutinarias como el cálculo de nóminas; en este tipo de tareas el programador puede estimar su gasto en recursos, indicándoselo al sistema. Esto facilita el funcionamiento del planificador a largo plazo.

El objetivo primordial del planificador a largo plazo es el de dar al planificador de la CPU una mezcla equilibrada de trabajos, tales como los limitados por la CPU (utilizan mucho la CPU) o la E/S. Así, por ejemplo, cuando la utilización de la CPU es baja, el planificador puede admitir más trabajos para aumentar el número de procesos listos y, con ello, la probabilidad de tener algún trabajo útil en espera de que se le asigne la CPU. A la inversa, cuando la utilización de la CPU llega a ser alta, y el tiempo de respuesta comienza a reflejarlo, el planificador a largo plazo puede optar por reducir la frecuencia de admisión de trabajos.
Normalmente, se invoca al planificador a largo plazo siempre que un proceso termina. La frecuencia de invocación depende, pues, de la carga del sistema, pero generalmente es mucho menor que la de los otros dos planificadores. Esta baja frecuencia de uso hace que este planificador pueda permitirse utilizar algoritmos complejos, basados en las estimaciones de los nuevos trabajos.

Planificación a Medio Plazo
En los sistemas de multiprogramación y tiempo compartido varios procesos residen en la memoria principal. El tamaño limitado de ésta hace que el número de procesos que residen en ella sea finito. Puede ocurrir que todos los procesos en memoria estén bloqueados, desperdiciándose así la CPU. En algunos sistemas se intercambian procesos enteros (swap) entre memoria principal y memoria secundaria (normalmente discos), con esto se aumenta el número de procesos, y, por tanto, la probabilidad de una mayor utilización de la CPU.

El planificador a medio plazo es el encargado de regir las transiciones de procesos entre memoria principal y secundaria, actúa intentando maximizar la utilización de los recursos. Por ejemplo, transfiriendo siempre a memoria secundaria procesos bloqueados, o transfiriendo a memoria principal procesos bloqueados únicamente por no tener memoria.

Planificación a corto plazo

Qué proceso será el que se ejecutará en el procesador en el instante siguiente.

Expulsión denota si un proceso acapara el procesador cuando está ejecutándose. Existen sistemas con y sin expulsión:

a) Sin expulsión: un proceso conserva el uso del procesador mientras lo desee; es decir, mientras no solicite del SO un servicio que lo bloquee. Ventajas: minimiza tiempo de planificación. Inconvenientes: un proceso podría monopolizar el uso del procesador.

b) Con expulsión: el SO puede desalojar a un proceso del uso del procesador (sin que el proceso lo haya solicitado). Ventaja: control sobre el tiempo de ejecución de cada proceso. Inconveniente: gasto de tiempo.
Objetivos y Criterios de Planificación
Los objetivos del planificador se resumen en:

a) Reparto equitativo del tiempo de procesador
b) Eficiencia en el uso del procesador
c) Menor tiempo de respuesta en uso interactivo
d) Cumplir plazos de ejecución de los sistemas de tiempo real
El principal objetivo de la planificación a corto plazo es repartir el tiempo del procesador de forma que se optimicen algunos puntos del comportamiento del sistema. Generalmente se fija un conjunto de criterios con los que evaluar las diversas estrategias de planificación. El criterio más empleado establece dos clasificaciones. En primer lugar, se puede hacer una distinción entre los criterios orientados a los usuarios y los orientados al sistema. Los criterios orientados al usuario se refieren al comportamiento del sistema tal y como lo perciben los usuarios o los procesos.

Uno de los parámetros es el tiempo de respuesta. El tiempo de respuesta es el periodo de tiempo transcurrido desde que se emite una solicitud hasta que la respuesta aparece en la salida. Sería conveniente disponer de una política de planificación que ofrezca un buen servicio a diversos usuarios.
Otros criterios están orientados al sistema, esto es, se centran en el uso efectivo y eficiente del procesador. Un ejemplo puede ser la productividad, es decir, el ritmo con el que los procesos terminan. La productividad es una medida muy válida del rendimiento de un sistema y que sería deseable maximizar.

Otra forma de clasificación es considerar los criterios relativos al rendimiento del sistema y los que no lo son. Los criterios relativos al rendimiento son cuantitativos y, en general, pueden evaluarse o ser analizados fácilmente. Algunos ejemplos son el tiempo de respuesta y la productividad.
Los criterios no relativos al rendimiento son, en cambio cualitativos y no pueden ser evaluados fácilmente. Un ejemplo de estos criterios es la previsibilidad. Sería conveniente que el servicio ofrecido a los usuarios tenga las mismas características en todo momento, independientemente de la existencia de otros trabajos ejecutados por el sistema.

En particular, una disciplina de planificación debe:

• Ser equitativa: debe intentar hacer una planificación justa, esto es, se debe tratar a todos los procesos de la misma forma y no aplazar indefinidamente ningún proceso. La mejor forma de evitarlo es emplear alguna técnica de envejecimiento; es decir, mientras un proceso espera un recurso, su prioridad debe crecer.
• Ser eficiente: debe maximizar el uso de los recursos tales como intentar que la ocupación de la CPU sea máxima. Al mismo tiempo se debe intentar reducir el gasto extra por considerar que es trabajo no productivo. Normalmente el idear algoritmos eficientes supone invertir recursos en gestión del propio sistema.
• Lograr un tiempo bueno de respuesta, es decir, que los usuarios interactivos reciban respuesta en tiempos aceptables.
• Lograr un tiempo de proceso global predecible. Esto quiere decir que un proceso debe ejecutarse aproximadamente en el mismo tiempo y casi al mismo costo con independencia de la carga del sistema.
• Elevar al máximo la productividad o el rendimiento, esto es, maximizar el número de trabajos procesados por unidad de tiempo. Eso supone, por un lado, dar preferencia a los procesos que ocupan recursos decisivos y, por otro, favorecer a los procesos que muestran un comportamiento deseable. En el primer caso conseguimos liberar el recurso cuanto antes para que esté disponible para un proceso de mayor prioridad. Con el segundo criterio escogemos a los procesos que no consumen muchos recursos dejándole al sistema mayor capacidad de actuación.

Estos criterios son dependientes entre sí y es imposible optimizar todos de forma simultánea. Por ejemplo, obtener un buen tiempo de respuesta puede exigir un algoritmo de planificación que alterne entre los procesos con frecuencia, lo que incrementa la sobrecarga del sistema y reduce la productividad. Por tanto, en el diseño de una política de planificación entran en juego compromisos entre requisitos opuestos; el peso relativo que reciben los distintos requisitos dependerá de la naturaleza y empleo del sistema.