Unidade 1-2
Processos e Threads
O que é um Processo
• Um processo é uma atividade (ou tarefa) de um
programa, que contém o código e dados de uma
atividade.
• Essas são: leitura de dados, escrita de dados,
cálculos no processador, comunicação com o
usuário, comunicação com um BD, comunicação
com a rede interna ou externa, entre outras.
Processos
– Um trecho de código em execução em uma
máquina.
– É a unidade de processamento concorrente que
um processador sob um SO pode processar.
– Identificado pelo seu PID (Process Identifier).
– Unix (anos 70) foi construído para executar
processos.
Problema com Processos
• Nos anos 80, foi descoberto que a noção
tradicional de um sistema operacional, de um
processo que executa um único fluxo de
execução, era diferente dos requisitos dos
sistemas operacionais distribuídos.
• Solaris (anos 90), originalmente, utiliza processos.
Problema com Processos
• E também, diferente dos requisitos dos
aplicativos mais sofisticados que utilizam um
único processador, mas que exigem
concorrência de suas atividades internas.
Solução para o Processamento
Concorrente
• Aprimorar a noção de processo, para que ele
pudesse ser associado a múltiplas atividades
internas a ele.
Processo
• Um processo é uma entidade a nível de
kernel, que possui um espaço de
endereçamento.
• O único modo para seu programa acessar a
dados na estrutura (contexto) de um processo,
consultar ou mudar seu estado, é via uma
chamada de sistema.
Contexto de um Processo
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Um identificador do processo (PID).
Um segmento de código.
Um segmento de dados.
Os valores dos registradores da CPU.
Um contador de programa lógico.
Uma pilha de execução.
O estado do processo.
Informações para escalonamento (prioridade, tempo)
Dados para contabilização de uso.
Recursos alocados: arquivos, portas, eventos, outros.
Surgimento de Threads
• Com o surgimento de processadores de mais
alto desempenho, uma nova unidade de
processamento concorrente pode ser definida
dentro do próprio processo, novos fluxos de
execução e assim pode-se ter múltiplos fluxos
de execução (múltiplas threads) num mesmo
processo.
• Cada fluxo de execução é chamada Thread.
Threads
• Atualmente, um processo consiste em um
ambiente de execução, contendo uma ou
mais threads.
• Thread: unidade de processamento
concorrente nos sistemas operacionais
atuais, dentro de um processo.
Contexto de uma Thread
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•
Um identificador da Thread.
Um segmento de código.
Um segmento de dados.
Os valores dos registradores da CPU.
O contador de programa.
Uma pilha de execução.
O estado da Thread.
Informações para escalonamento (prioridade, ...)
Dados para contabilização de uso.
Recursos alocados que pertencem a processos:
arquivos, portas, eventos, outros.
Threads
• Definição:
– Threads (linhas de execução) são atividades
(tarefas internas) concorrentes executadas dentro
de um processo.
– Um processo pode ter uma ou mais threads.
Multithreading
• Múltiplas threads executam
concorrentemente em um processo, e é
análogo a múltiplos processos executando
concorrentemente em um único processador.
• Threads pertencentes a um mesmo processo,
compartilham os mesmos recursos e memória
(espaço de endereçamento) do processo.
Multithreading
• Suporte a Threads:
– Threads nativas do SO (entidades a nível de kernel).
– Threads como entidades a nível do usuário.
– Suporte de programação multithreading.
Exemplo: JVM do Java
– Linguagem de programação multithreading.
Exemplo: Java
Três Processos - cada um com
uma Thread
Cada thread tem seu espaço de endereçamento.
Thread
Contador de Programa
Processo
Um Processo com três Threads
• Todas num mesmo espaço de endereçamento.
Processo
Multiplas Threads
Processos e Threads
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Um confeiteiro.
O confeiteiro é o processador.
Um Livro de Receitas é um processo.
Uma receita corresponde a uma Thread.
Fazer um bolo de aniversário.
Ingredientes: farinha, ovos, açucar, ...
Os ingredientes são os dados.
Processo e Thread
• O processo é a atividade que consiste em
nosso confeiteiro ler a receita (Thread),
buscar os ingredientes (Thread), bater o bolo
(Thread) e cozinhar o mesmo (Thread).
Alternando para outro processo
• Confeiteiro, Filho do confeiteiro, Abelha
• Ferrada da abelha no filho do confeiteiro.
• Confeiteiro precisa socorrer o filho.
• O confeiterio registra onde estava na receita
(o estado e o contexto do processo são salvos).
Alternando para outro processo
• Confeiteiro procura um livro de pronto-socorro
(outro processo).
• Segue a orientações do livro.
• O Confeiteiro alterna do processo (Livro de
Receitas para Fazer o Bolo) para outro, de
prioridade mais alta (Livro de Pronto Socorro),
cada um sendo um processo diferente (receita e
livro).
Processo “Livro de Pronto Socorro”
• Threads ???
• Ler o procedimento médico
• Desinfetar o local da picada
• Colocar curativo
Processo é uma atividade
• Quando a picada for tratada, o confeiteiro volta a fazer
o seu bolo, continuando do ponto onde parou, quando
abandonou o processo (Fazer o Bolo).
• A ideia é que processo é um tipo de atividade que é
concorrente a outros processos.
• E em cada atividade (Livro de Receitas / Livro ProntoSocorro) existem tarefas, para “Fazer um Bolo” ou “Um
Atendimento Médico”, que correspondem às threads.
Escalonamento de Threads
• Todo SO tem um programa chamado
Scheduler (o escalonador do SO) que
seleciona, num dado instante, uma thread que
deve ser executada pelo processador,
alternando este entre threads.
Algoritmo de Escalonamento
– Define a ordem de execução de processos/ threads com
base em uma fila ou prioridade da thread.
– Processos/Threads do sistema SO e de aplicações críticas
exigem maior prioridade.
– Em geral, os sistemas operacionais adotam uma política
para atender a todas os processos/threads de maneira
justa .
Escalonamento por Time-Slicing
• Fracionamento de tempo do processador.
• Divide o tempo do processador entre threads
de igual prioridade.
• Implementado por um Timer (hardware) o
qual interrompe o processamento
periodicamente, para permitir o scheduler
buscar uma outra thread para executar.
Escalonamento Time-Slicing
– Por Processo: escalonador aloca tempo para
execução dos processos, os quais definem como
usar este tempo para executar suas threads.
P1
t11 t12
P2
P3
t21 t22 t23 t31 t32
– Por Thread: escalonador aloca tempo e define a
ordem na qual as threads serão executadas.
t11 t31 t21 t32 t23 t12 t22 t16
Escalonamento Pre-Emptivo
• Baseado nas prioridades dos
processos/threads.
• Deve ser implementado para garantir que um
processo/thread de alta prioridade possa
executar logo que torna-se pronto, mesmo
que signifique suspender a execução de um
processo de mais baixa prioridade.
Ciclo de Vida de um Processo/Thread
Criado
Pronto
Suspenso
Rodando
Morto
Estados de um Processo/Thread
• Pronto: pronto para ser executado,
mas sem o direito de usar o
processador.
• Rodando: sendo executado pelo processador.
• Suspenso: aguarda operação de I/O, liberação
de um recurso ou fim de tempo de
espera em uma fila.
Estado Suspenso
• Dormindo – em espera temporizada.
• Bloqueado – aguarda I/O.
• Em Espera - aguarda uma condição ser
satisfeita.
Mudança de Estado de um Processo
• Processos/Threads trocam de estado de
acordo com o:
– Algoritmo de escalonamento.
– Troca de mensagens entre esses.
– Interrupções de hardware ou software.
Threads
• Da mesma forma que os processos.
• Cada thread tem seu estado e segue um
ciclo de vida particular.
• A vida da thread depende do seu processo.
Troca de Contexto
• Quando duas threads de um mesmo processo
se alternam no uso do processador, ocorre
uma troca de contexto parcial.
• Numa troca parcial, o contador de programa,
os registradores e a pilha devem ser salvos.
Processos x Threads
• Troca de Contexto:
Completa | Parcial
• Comunicação: Inter-Processo | Inter-Threads
• Suporte em S.O.’s:
Quase todos | Os mais atuais
• Suporte em Linguagem de Programação:
Quase todas | As mais recentes