1

Hebras, SMP, y Microkernels

Capítulo 4

2

Dos características de un proceso

• Propietario de Recursos – un proceso incluye un espacio virtual de direcciones donde se

almacena la imagen del proceso.

– En un momento dado el SO puede asignar recursos al proceso

• Es planificado/ejecutado – sigue un camino de ejecución que puede intercalarse con la ejecución de otros procesos. Así un proceso puede estar Running, Ready, etc.

• Estas dos características son tratadas independientemente por el SO– Entidad que se ejecuta/despacha es llamada hebra

– Entidad dueña de recursos es llamado proceso

3

Procesamiento Multihebra

• La capacidad del SO de soportar múltiples hebras de ejecución dentro de un proceso

• MS-DOS soporta sólo una hebra (y sólo un proceso)

• UNIX soporta múltiples procesos de usuario, pero sólo una hebra por proceso

• Windows, Solaris, Linux, Mach, y OS/2 soportan múltiples hebra

• En este caso, el proceso es asociado con– Un espacio virtual de direcciones que contiene la imagen del proceso

– Acceso protegido al procesador, otros procesos, archivos, etc.

4

5

Una hebra posee

• Un estado de ejecución (running, ready, etc.)

• Un contexto de hebra, cuando no está ejecutándose

• Un stack de ejecución

• Almacenamiento estático de memoria para variables locales

• Derecho a acceder la memoria y recursos del proceso al que pertenece– Todas la hebras de un proceso comparten esta propiedad

6

• Todas la hebras de un proceso comparten los recursos de un proceso

• Cada hebra puede tener su propio estado, pero cuando el proceso se suspende, todas las hebras se suspenden. Cuando el proceso termina, todas la hebras terminan

• Cuando una hebra modifica un dato en memoria global, las otras hebras ven el resultado de la modificación

7

Beneficios de las hebras

• Demora menos crear y eleminar una hebra que un proceso

• Demora menos hacer cambio de contexto entre hebras de un mismo proceso que entre dos procesos

• Ya que las hebras de un proceso comparten memoria y archivos, ellas se pueden comunicar sin necesidad de invocar rutinas del kernel

8

Ejemplo de uso de hebras en un sistema mono usuario multiprogramado

• Ejecución concurrente de tareas background y foreground: – Ej cómputo y manejo de interface

• Procesamiento asíncrono – Ej: Guarar periódicamente contenidos de editor de texto

• Aumento velociad de ejecución– Intercalar procesamiento con lectura de próximo job

• Estructura modular del programa

9

Estados de una hebra

• Los estados típico son Running, Ready, y Blocked• Cuando un proceso es suspendido (swap-out), todas las hebras

son suspendiadas• Si una hebra es bloqueada (estado Blocked), ¿qué pasa con las

otras hebras del mismo proceso? (ver ejemplo que sigue)• Operaciones típicas que involucran estados

– Spawn• Un proceso• Una hebra

– Block.• Por ejemplo debido a I/O

– Unblock– Término

10

• RPC monohebra.

• RPC multihebra.

11

Multi hebras en mono procesador

12

Hebras nivel usuario versus nivel kernel

• Existen dos categorías generales de implementación de hebras: nivel de usuario y nivel de kernel

• Nivel de usuario– Toda la administración de las hebras la realiza la aplicación misma

(proceso) o por librerías de manejo de hebras

– El kernel no sabe que el proceso tiene varias hebras y planifica (scheduled) el proceso no las hebras

– El kernel podría ser mono hebrado

13

14

Hebras a nivel de usuario

• Ventajas– Cambio de contexto no necesita privilegios del kernel y es más rápido

– Scheduling puede depender y ser específico a la aplicación

– Pueden ser implementadas en cualquier SO, y no requieren cambios al kernel

• Desventajas– Cuando una hebra se boquea, el proceso entero se bloquea

– Aunque exista varios procesadores, la hebras no podrían hacer uso de ellos en forma paralela

15

Hebras a nivel de kernel

• Toda la administración de hebras la realiza el kernel (sistema puro)

• Windows es un ejemplo de este modo • El kernel mantiene información de contexto por el

proceso y por la hebras del proceso• Scheduling es al nivel de hebra• Ventajas:

– Se puede explotar múltiples procesadores– Si una hebra se bloquea, el control de la CPU puede pasar a otra hebra

• Desventaja: cambio de contexto entre hebras requiere la intervención del kernel

16

VAX Running UNIX-Like Operating System

17

Sistemas híbridos• La creación de hebras se hace a nivel de usuario

• Parte de la sincronización y scheduling tambien se hace a nivel de usuario

• Ejemplo es Solaris

• La hebras a nivel de usuario se mapean (corren) sobre un número variable de hebras de kernel

18

Otros modelos

19

Multiprocesamiento simétrico (SMP)

20

Modelos de computación

• Single Instruction Single Data (SISD) stream– Un flujo simple de instrucciones operan sobre una sequencia simple de

datos almacenados en memoria

• Single Instruction Multiple Data (SIMD) stream– Un mismo flujo de instrucciones opera sobre conjuntos diferentes de

datos por diferentes unidades de procesamiento (procesadores vectoriales)

• Multiple Instruction Single Data (MISD) stream– Una secuencia de datos se transmite a un conjunto de procesadores, los

cuales ejecutan un operación distinta sobre ellos (nunca implementada)

• Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) stream– Un conjunto de procesadores ejecutan instrucciones diferentes sobre

conjuntos de datos diferentes simultáneamente

21

22

Modelos de asignación de procesos

• Maestro/esclavo : El kernel del SO siempre corre en un procesador dado (maestro). El maestro envia procesos usuarios a los esclavos– Ventajas: simple,– Desventajas: Si se cae el maestro, todo el sistema se cae. También, el

maestro puede ser un cuello de botella

• Simétrico (SMP): El kernel se puede ejecutar en cualquier procesador– El kernel se puede construir como múltiples procesos o hebras– Cada procesador puede planifica sus propios procesos desde un pool de

procesos disponibles– Desventaja: complicado

23

24

Consideraciones de diseño de SO SMP

• Ejecución simultánea de procesos o hebras – El código del kernel debe ser reentrante

• Scheduling– Cualquier procesador puede realizar su propio scheduling

• Sincronización– Se debe controlar el acceso simultáneo a la memoria compartida y

dispositivos de I/O compartidos

• Administración de memoria – Además de todos los problemas típicos asociados con la administración

de memoria, el SO debe explotar el paralelismo que el hardware le provee, como por ejemplo las memorias multipuerto

• Confiabilidad y tolerancia a fallas– El SO debe estar preparado por si un procesador falla

25

Microkernels

• Núcleo pequeño del sistema operativo que provee sólo las funciones escenciales

• Muchos servicios que tradicionalmente son incluidos en el SO son dejados fuera del microkernel– Drivers de los dispositivos

– Sistemas de archivos

– Administrador de memoria virtual

– Sistema de ventanas

– Servicios de seguridad

26

• En un microkernel, los componentes externos a él son implementados como procesos servidores, los cuales se comunican con paso de mensajes a través del microkernel

27

Beneficios de una organizacion microkernel

• Interface uniforme para pedir servicios por los procesos – No hay distincion entre servicios a nivel de kernel o nivel de usuario – Todos los servicios se proveen mediante paso de mensajes

• Extensibilidad– Facilita la adición de nuevos servicios– Sólo los servidores involucrados son modificados– El microkernel no se modifica

• Flexibilidad– Facilita la adición de nuevas características– Facilita la eliminación características obsoletas

• Portabilidad– Cambios para portar el SO a una nueva arquitectura se realizan sólo en el

microkernel, no servicios

• Confiabilidad– Diseño modular– Es más facil depurar un microkernel pequeño que un gran SO monolítico

28

Diseño de Microkernel

• Un microkernel debe incluir funciones:– que dependen directamente del hardware– de apoyo a los servidores operando en modo usuario

• Estas funciones caen en la siguientes categorias generales:– Administración de bajo nivel de memoria– Comunicación entre procesos– I/O– Administración de interrupciones

29

Windows Processes

• Implemented as objects

• An executable process may contain one or more threads

• Both processes and thread objects have built-in synchronization capabilities

30

31

Windows Process Object

32

Windows Thread Object

33

Windows 2000Thread States

• Ready

• Standby

• Running

• Waiting

• Transition

• Terminated

34

35

Solaris

• Process includes the user’s address space, stack, and process control block

• User-level threads

• Lightweight processes (LWP)

• Kernel threads

36

37

38

Solaris Lightweight Data Structure

• Identifier

• Priority

• Signal mask

• Saved values of user-level registers

• Kernel stack

• Resource usage and profiling data

• Pointer to the corresponding kernel thread

• Pointer to the process structure

39

40

Linux Task Data Structure

• State

• Scheduling information

• Identifiers

• Interprocess communication

• Links

• Times and timers

• File system

• Address space

• Processor-specific context

41

Linux States of a Process

• Running

• Interruptable

• Uninterruptable

• Stopped

• Zombie

42