Definición de proceso
Un proceso es básicamente un entorno formado por todos los recursos necesarios para ejecutar programas. Desde el punto de vista del SO, un proceso es un objeto más que hay que gestionar y al cual hay que dar servicio . Podemos decir que un programa es una entidad pasiva, en tanto en cuanto es un conjunto de instrucciones de código máquina y datos almacenados en un ejecutable. Mientras que un proceso sería la ejecución de ese programa, es decir, el programa en acción. Esto indica que los procesos son dinámicos, están en constante cambio debido a estos recursos necesarios, ya que al intentar realizar algún tipo de acción puede ser que tenga que permanecer a la espera de que dicho recurso esté disponible, por ejemplo una petición de lectura del disco duro, y que el brazo lector del disco duro lo esté utilizando otro proceso. Al igual que las instrucciones de programa, los procesos incluyen los contadores de programa que indican la dirección de la siguiente instrucción que se ejecutará de ese procesos y los registros de CPU, así como las pilas que contienen datos temporales, como son los parámetros de subrutina, las direcciones de retorno y variables locales. Los procesos también contienen una sección de datos con variables globales y memoria dinámica. Todo ello permite gestionar de una manera más eficaz los procesos en los sistemas operativos multiprocesos, ya que cada proceso es independiente, por lo que el bloqueo de uno no debe de hacer que otro proceso en el sistema se bloquee. En estos sistemas operativos multiproceso se intenta maximizar la utilización de la CPU, por lo que los procesos se ejecutan simultáneamente en la CPU y sólo quedan a la espera de ejecución si requieren de algún recurso del sistema que esté ocupado en ese momento, en cuanto obtiene dicho recurso podrá ejecutarse de nuevo.
En un sistema multiprogramado o multitarea donde existen muchos procesos y un procesador, puede ocurrir que en un momento dado sólo se ejecute un proceso o varios y los demás estén esperando a ser procesado o esperen la finalización de una operación de E/S. Los pasos por los que puede pasar un proceso se pueden representar con un diagrama de estado como el de la figura. Así se puede apreciar que a medida que un proceso se ejecuta va cambiando de estado dependiendo de las preferencias que cada uno tengan asignadas, por lo que será el procesador el que se encargue de ejecutar unos u otros.
Nuevo. En los sistemas operativos hay varias razones por las que se crea un proceso. Entre éstas se pueden destacar; la inicialización del sistema, cuando se arranca el sistema se generan una serie de procesos ya bien sean para interactuar con el usuario o procesos en segundo plano con una función específica, como por ejemplo el aceptar la solicitud de una página web que está en dicha máquina; ejecución de una llamada al sistema por parte de otro proceso, un proceso puede requerir la descarga de ficheros, por lo que serán otros procesos los que se encarguen de ubicar el archivo o archivos en la ubicación específica; por medio de la acción de un usuario, por ejemplo al hacer doble clic en un icono; mediante el inicio de un trabajo por lotes. Una vez el proceso ha sido creado queda a la espera de ser admitido, por lo que si es así pasaría a estado preparado o en caso contrario terminaría dicho proceso. – Preparado (ready o listo). Un proceso en este estado está esperando a que se le asigne un procesador. Como se puede apreciar en la figura 4, un proceso en este estado puede, o bien finalizar, lo que ocurriría por la acción de otro proceso o por algún acontecimiento externo, o bien el proceso pasa al estado ejecución, ya que el gestor de procesos le asigna una CPU para ser ejecutado. – Ejecución (run). El proceso en este estado está en la CPU ejecutando instrucciones. Puede ocurrir tres situaciones; que el proceso ejecute todas las instrucciones hasta su última línea de código y finaliza; pasa a estado bloqueado (wait) por que espera una acción externa como la entrada de información por teclado; o bien el proceso pasa a estado preparado debido a que ha agotado su tiempo de ejecución, por lo que cede su tiempo de ejecución. – Bloqueado (wait, en espera). El proceso está esperando a que se produzca un evento externo, como una señal de E/S, y pasaría a estado ejecución. Al igual que el estado preparado, el proceso puede finalizar debido a un acontecimiento externo.
El sistema operativo utiliza varias colas para gestionar los estados, cada cola puede tener una política diferente. Así, podemos encontrar una cola para los estados preparados y una cola para los estados en espera. El planificador del procesador al examinar estas colas asigna el procesador al proceso más conveniente.
Planificacion de un proceso
El sistema operativo es el encargado de decidir qué procesos entran en la CPU cuando ésta queda libre, y en qué momento sale de la CPU el proceso que está en ejecución. Todo ello se lleva a cabo a través de una política de planificación de procesos. Se pueden definir múltiples políticas de planificación de procesos: por orden de llegada, primero la tarea más breve, por orden de prioridad, etc.
En definitiva, lo que una política de planificación debe conseguir es que los procesos obtengan adecuadamente sus turnos de ejecución por lo que son tratados de la misma forma, que no se produzca sobrecarga, es decir, el planificador debe responder rápidamente ante cargas de trabajo ligera y responder de la misma forma ante cargas de trabajo similares. Y obtener un buen rendimiento, por lo se debe lograr finalizar el mayor número de procesos y maximizar el tiempo de respuesta. No existe una política de planificación óptima para todas las computadoras, sino que depende de las características de los procesos. Así se puede ver cómo una política obtiene unos resultados excelentes en un sistema, sin embargo en otro sistema el rendimiento es mucho menor.
Ello se debe a las características de los procesos, donde cada uno puede tener una cantidad de operaciones de E/S enorme cómo es el caso de las bases de datos, otros usan mayormente la CPU, otros realizan una mayor lectura de datos frente a otros, hay procesos que requieren una prioridad máxima en los turnos de ejecución, es el caso de los procesos de tiempo real, y hay procesos que requieren más tiempo de ejecución que otros, por lo que habrá que valorar si terminar primero los cortos o no.
Existen diferentes planificadores en el sistema. Primero nos encontramos el planificador a largo plazo, el cual es el encargado de controlar el grado de multiprogramación en el sistema, intentando conseguir una mezcla adecuada de trabajos en CPU y E/S. Es por tanto el encargado de suministrar los procesos a la cola de planificación a corto plazo. Existe también un planificador a medio plazo. Es el encargado de suspender y posteriormente restaurar procesos de poco interés, realizando el intercambio de los mismos entre la memoria principal y el disco o memoria secundaria. Dicho proceso es conocido como swapping, y se ejecuta cuando hay escasez de recursos.
El planificador a corto a plazo es el encargado de asignar y desasignar la CPU. Su trabajo es coger un proceso de la cola de procesos preparados y asignarle una CPU. Hay dos tipos de planificadores a corto plazo; no expulsivas, el proceso abandona la CPU cuando termina o a la espera de un suceso externo; y expulsivas, el proceso que se está ejecutando puede pasar a estado listo enviado por parte del sistema operativo, es el caso de los sistemas de tiempo compartido y tiempo real, como UNIX, Windows NT/XP o superior, MAC OS X. Las políticas de planificación de procesos más comunes son las siguientes:
– Primero en llegar, primero en salir (FCFS). El primero proceso que llega a la cola de preparados será el primero en ser planificado y pasado a la CPU. Es no expulsiva, por lo que no es adecuada para los sistemas de tiempo compartido, por lo que provocan una especie de convoy con los procesos de E/S.
– Primero el proceso más corto (SJF). Cuando el proceso que está en la CPU cesa su ejecución se elige de la cola de procesos preparados aquel cuya ráfaga de CPU sea menor, es decir, que su tiempo de ejecución sea menor. Es del tipo no expulsiva, aunque existe una versión expulsiva (SRTF) que cuando llega un proceso más pequeño que el que se está ejecutando a la cola de preparados, éste es bloqueado y pasa a estado preparado mientras se ejecuta el nuevo proceso.
– Prioridades. Cada proceso tiene asignada una prioridad ya sea por medio del sistema operativo o por el usuario. Los procesos se dividen en distintas colas dependiendo de la prioridad, por lo que el planificador elegirá primero los procesos de la primera cola mediante FIFO, y cuando quede vacía elegirá los de la segunda cola. Esta política puede ser expulsiva o no. Esto puede provocar que haya procesos que se queden sin ejecutar debido a esta prioridad, la solución pasaría por aumentar la prioridad progresivamente a los procesos en espera.
– Turno rotatorio (Round-Robin). Adecuado para los sistemas de tiempo compartido. Consiste en generar periódicamente una interrupción de reloj, donde cada proceso dispone de un cuanto de tiempo máximo (quantum), por lo que cuando termina este tiempo, el proceso en ejecución pasa a preparado y pasa a ejecutarse el siguiente proceso en la cola de preparados según FIFO.
Creación y destrucción de procesos
Los sistemas operativos que son objeto de estudio tienen diferentes formas en la gestión de procesos, por lo que en este apartado haremos una distinción entre el sistema UNIX y el sistema Windows. El por qué se hace el estudio del sistema UNIX es debido a que tanto el sistema Linux como el sistema Mac OS X están basados en dicho sistema, por lo que es más razonable hacer la mención a UNIX y no a estos dos sistemas. Las únicas diferencias fundamentales detectadas entre UNIX y Mac OS X se basan en el sistema de ficheros, donde Mac OS X utiliza HFS+ frente al UFS de UNIX y el estándar ext3 de Linux. Respecto al Kernel, ambos sistemas están basados en el Kernel de UNIX, pero actualmente Mac OS X utiliza un híbrido del núcleo de UNIX Mach llamado XNU, mientras que Linux utiliza un núcleo monolítico llamado Linux.