Clase II - Multiprogramacion

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Multiprogramación��

6LVWHPDV�2SHUDWLYRV81,9(56,'$'�1$&,21$/�(;3(5,0(17$/�'(�*8$<$1$

,QWURGXFFLyQ

• El SOP multiprogramación carga en memoria principal varios programas y el “distribuidor” asigna el procesador a los procesos “preparados” que esperan por él.

• En general se aprovechan:

6LVWHPDV�2SHUDWLYRV

• En general se aprovechan:a) Los tiempos muertos del procesador.b) Los tiempos de acceso a periféricos.c) El espacio de memoria principal no ocupado

por procesos o por el SOP.

,QWURGXFFLyQ

• Ejemplo: Dos procesos P1 y P2; cada uno se ejecuta 1 seg. y espera otro seg. Esto se repite 60 veces:� Ejecución de procesos sin multiprogramación

(utilización 50%):


(utilización 50%):

,QWURGXFFLyQ

� Ejecución de procesos con multiprogramación (utilización 100%):


,QWURGXFFLyQ

• La ejecución se realiza de forma solapada en el tiempo (concurrentemente) de modo que parece que los procesos se ejecutan simultáneamente (no confundir concurrencia con paralelismo).


con paralelismo).• En un intervalo de tiempo determinado se

ejecutan alternativamente (a trozos) varios procesos ubicados en la memoria principal.

,QWURGXFFLyQ

• El número de procesos en memoria principal preparados para su ejecución está limitado por el tamaño de ésta.

• Para evitar esta limitación se puede bajar a disco (memoria secundaria) un proceso de


disco (memoria secundaria) un proceso de los que está en memoria principal para dar cabida a otro.

• El proceso que permanece en memoria secundaria se carga nuevamente a memoria principal cuando llegue su turno.

,QWURGXFFLyQ

• Este mecanismo de intercambio memoria principal / disco se denomina VZDSSLQJ.

• Si la relación capacidad de memoria principal / número de procesos es baja, aumenta el intervalo de tiempo entre dos


aumenta el intervalo de tiempo entre dos turnos, haciendo más lento el sistema (una posible solución es aumentar adecuadamente la memoria principal).

,QWURGXFFLyQ

• Ejemplo:


3URFHVR

• Es la imagen (copia) de un programa en ejecución.

• Contiene:a) Una copia del código ejecutable del programa

y de su área de datos.


y de su área de datos.b) La información acerca de su estado de

ejecución:� Los valores del contador del programa (SURJUDP�

FRXQWHU), registros y variables.� Información necesaria para su administración por

parte del SOP (id, prioridad, etc.).

3URFHVR

• Ubicación en memoria:


3URFHVR

• Necesita recursos para poder ejecutarse: memoria, dispositivos de E/S, CPU, etc.

• ¿Por qué usarlos?� 6LPSOLFLGDG:

o Cada actividad se aísla / envasa en un proceso.


o Cada actividad se aísla / envasa en un proceso.o Cada proceso trata con el SOP de forma

independiente.� 9HORFLGDG:

o Si un proceso se bloquea (esperando un recurso) se cambia a otro dando la ilusión de tener más de una CPU.

o Ejecución simultánea de varias procesos.

3URFHVR

� 6HJXULGDG:o Se reducen los efectos de un error.o Los programas tienen la ilusión de que están sólos.o Cada proceso se ejecuta en su propio espacio de

direcciones (no puede acceder directamente a espacios de direcciones de otros procesos).


espacios de direcciones de otros procesos).o Su ejecución y posibles errores está confinada a su

espacio ⇒ compartir información se complica ⇒hay un costo implícito.

• Proceso = CPU virtual.

3URFHVR

• Un proceso cambia de estado a medida que se ejecuta:� 1XHYR: recién creado por el SOP.� (Q�HMHFXFLyQ: está en la CPU ejecutando

instrucciones.


instrucciones.� %ORTXHDGR: esperando a que ocurra un

evento (ej: una operación de E/S).� 3UHSDUDGR: esperando a que le asignen un

procesador (CPU).� 7HUPLQDGR: no ejecutará más instrucciones y

el SOP le retirará los recursos que consume.

3URFHVR


3URFHVR

• Creación de procesos: � Un proceso se crea mediante una llamada al

sistema (ej: “CreateProcess”, “fork”, etc.).� El proceso creador (que hace la llamada) se

denomina “padre” y el proceso creado


denomina “padre” y el proceso creado (resultado de la llamada) se llama “hijo”.

� Aspectos a considerar en la relación padre/hijo:1. Compartición de recursos: todos, algunos, ninguno.2. Espacio de memoria: clonado, nuevo.3. Sincronización del padre: ¿esperar a que el hijo

termine?4. Terminación.

3URFHVR

� Pasos a seguir por el SOP:1. Asignarle un PCB.2. Establecer su contexto de memoria (espacio de

direcciones).3. Cargar imagen (ejecutable) en memoria.4. Ajustar su contexto de CPU (registros).


4. Ajustar su contexto de CPU (registros).5. Marcar la tarea como ejecutable:

a. Saltar al punto de entrada, ob. Poner el proceso en la cola de procesos preparados.

3URFHVR

• Terminación de procesos: � Un proceso termina cuando invoca al sistema

una llamada específica (ej: “exit”).� También si se genera una excepción y el SOP

decide abortarlo.


decide abortarlo.� En UNIX, cuando un proceso termina, con él

muere su descendencia (genocidio).� Podría existir una llamada al sistema para

abortar otro proceso.

3URFHVR

� Pasos a seguir por el SOP:1. Envío de datos del proceso creado al creador (ej:

código de finalización).2. Desasignar los recursos que tiene.

� Un proceso puede finalizar la ejecución de otro si:


si:a. Ha sobrepasado los recursos asignados.b. La tarea asignada al proceso ya no es necesaria.c. Va a finalizar y el SOP no permite que los procesos

creados por él puedan continuar: terminación en cascada.

3URFHVR

• Comunicación de procesos: � Los procesos pueden tener distintas relaciones

de comunicación entre sí:a) Independientes/competidores: los procesos

compiten por el uso de recursos escasos.


compiten por el uso de recursos escasos.b) Cooperantes: los procesos colaboran entre sí para

llevar a cabo un objetivo común.

3URFHVR

• Ejemplos de algunas rutinas del API de UNIX y Win32 para manejar procesos.


&RQWH[WR

• Por cada proceso, el SOP guarda toda la información (contexto) que se debe man-tener mientras éste no se está ejecutando:a) Estado actual.b) Registros de la CPU.


b) Registros de la CPU.c) Información del planificador (id, prioridad, etc.).d) Apuntadores a las zonas de memoria.e) Información de contabilidad (tiempo

consumido, etc.).f) Información de E/S (dispositivos que espera,

archivos abiertos, etc.).g) Etc.

&DPELR�GH�FRQWH[WR

• Cuando un proceso se está ejecutando, su contexto está cargado en los registros de la CPU.

• Cuando el SOP detiene la ejecución de un proceso, salva su contexto en un PCB


proceso, salva su contexto en un PCB (3URFHVV�&RQWURO�%ORFN).

• La acción de conmutar (VZLWFKLQJ) la CPU de un proceso a otro se denomina cambio de contexto:� Los sistemas de tiempo compartido realizan de

10 a 100 cambios de contexto por segundo.


� Es una operación de “tiempo perdido” ⇒ debe ser lo más rápido posible → suele tardar menos de 1 ms.

� En máquinas con dos modos de funcionamien-to (usuario y núcleo), el contexto se puede


to (usuario y núcleo), el contexto se puede separar en cada uno de los modos:1. Contexto de usuario.2. Contexto en modo núcleo.

� En estos casos, al pasar un proceso de modo usuario a núcleo, el SOP salva el contexto de usuario y utiliza el de modo núcleo. Al retornar, se restaura el contexto de usuario.


� Ejemplo: relación tiempo en ejecución / tiempo ocioso en el cambio de contexto de dos procesos (P0 y P1).



� Ejemplo: suponer la existencia de los procesos P1 (ejecutando la instrucción n que es una llamada al sistema) y P2 (se ejecutó anteriormente y ahora está esperando su turno nuevamente).


nuevamente).

Código del SOPEstructura de datosFlujo de controlSalvar estructuras de datosInstrucción i-ésima a ejecutar


1) P1 ejecuta n



2) Salva contexto usuario y ejecuta modo kernel



3) Parar proceso, invoca la rutina de cambio de contexto (switch_context)



4) “switch_context()” salva contexto kernel



5) Reponer contexto kernel de P2



6) El kernel termina la función que inició de P2



7) Retorno a modo usuario



8) Se reanuda ejecución de P2


7LSRV�GH�0XOWLSURJUDPDFLyQ

• La multiprogramación puede ser:a) Clásica:

� El planificador da el turno a un programa determinado; cuando éste tiene que realizar una operación de E/S le da el control del procesador a otro programa.


otro programa.� Cuando un programa finaliza una operación de E/S,

el periférico se lo comunica a la CPU (interrupción) para cederle el control la próxima ocasión que le toque su turno.

� Aquellos procesos con mucho cálculo y poca E/S pueden monopolizar la CPU.


b) Tratamiento paralelo:� A cada uno de los procesos en memoria se le

asigna un intervalo de tiempo fijo o período 7llamado TXDQWXP (décima de segundos).

� Al finalizar el TXDQWXP asignado a un proceso, el control de la CPU pasa al siguiente proceso.


control de la CPU pasa al siguiente proceso.� La cuenta del tiempo se realiza mediante un circuito

contador activado por el reloj de la CPU; al transcurrir el período 7 se genera una interrupción de la CPU.


c) Tiempo compartido:� Se asigna el control de la CPU a un nuevo proceso

interrumpiendo al anterior siempre que este último agote su TXDQWXP de tiempo o que entre en la ejecución de una instrucción de E/S.

� Es una combinación de las dos modalidades


� Es una combinación de las dos modalidades anteriores.

� La CPU trabaja el 100% en determinados intervalos según el tipo de carga..


• La multiprogramación se puede realizar de dos maneras:a) No apropiativa:

� Multiprogramación clásica.� Es la que se utilizó inicialmente (MS-DOS y


� Es la que se utilizó inicialmente (MS-DOS y MacOS).

� Un proceso se ejecuta hasta que: 1) termina; 2) inicia una operación de E/S; 3) se bloquea por otro servicio solicitado al SOP; 4) el propio proceso cede el procesador mediante una llamada al SOP.


a) Apropiativa o preferente:� MS-Windows, UNIX, Linux.� El SOP puede interrumpir en cualquier momento el

proceso activo para ceder CPU a otro proceso preparado.

� El algoritmo de planificación decide qué proceso se


� El algoritmo de planificación decide qué proceso se detiene y cuál de los procesos preparados pasa a activo.

+LORV

• En un proceso confluyen dos ideas:� Flujo de control: secuencia de instrucciones a

ejecutar, determinadas por el PC, la pila y los registros.

� Espacio de direcciones: direcciones de


� Espacio de direcciones: direcciones de memoria a las que puede acceder el proceso y recursos asignados (archivos, memoria, etc.).

• ¿Cómo permitir más de un flujo de control dentro del mismo espacio de direcciones?

+LORV

• Un hilo / hebra (WKUHDG) o proceso ligero es una unidad básica de ejecución con su propio:� Contador de programas.� Registros de CPU.


� Registros de CPU.� Pila (VWDFN).

• Los hilos de una misma aplicación comparten:� Código y datos.� Recursos del SOP (archivos, E/S, etc.).

+LORV

• Dos niveles de procesos:� Pesados: contienen uno o varios hilos que

comparten la misma memoria y recursos.� Ligeros o hilos.

• Los hilos pueden ser implementados tanto


• Los hilos pueden ser implementados tanto por el SOP como por el programa usuario.

• Para los hilos programados por el usuario:� El SOP no aplica protección entre ellos ya que

no conoce su existencia.� Si un hilo se bloquea, la tarea completa

también se bloquea.

+LORV

• El objetivo es facilitar la escritura de aplicaciones concurrentes cooperativas:� Dado que todos los hilos comparten los

recursos, un proceso pesado puede contener decenas de hilos sin mucho costo adicional


decenas de hilos sin mucho costo adicional (sólo los pequeños BCP de sus hilos).

� La comunicación entre los hilos del proceso es más sencilla (usando la memoria que comparten).

� El cambio de contexto entre hilos de un mismo proceso pesado es menos costoso.

+LORV

• Ejemplo: Solaris 2.x es una versión multihilo de UNIX; los hilos son identificados como LWP (Lightweight Process).


+LORV

• ¿Por qué no usar procesos con memoria compartida?� Los procesos son más costosos: creación,

destrucción, cambio de contexto, etc.� Los procesos consumen mucha más memoria.


� Los procesos consumen mucha más memoria.� No es posible crear tantos procesos como

hilos.• Código reentrante: aquél que funciona

correctamente si dos o más hilos lo ejecutan simultáneamente (WKUHDG�VDIH).

+LORV

• Ejemplos de algunas rutinas del API de UNIX y Win32 para manejar hilos.


3URFHVRV�&RQFXUUHQWHV

• Un SOP de multiprogramación soporta múltiples procesos concurrentes; permite además que residan simultáneamente en la memoria principal las instrucciones y datos procedentes de dos o más procesos


procedentes de dos o más procesos disjuntos.

• La multiprogramación implica multiproceso pero el multiproceso no implica multiprogramación.


• Concurrencia (en términos de un SOP) es la existencia simultánea de varios procesos en ejecución.

• Existencia simultánea (concurrencia) no implica ejecución simultánea (paralelismo).


implica ejecución simultánea (paralelismo).• El paralelismo es un caso particular de

concurrencia.• La concurrencia implica que los procesos

sean cooperativos entre sí ⇒ se requiere manejar sincronización y comunicación.


• Comunicación ⇒ intercambio de información entre los procesos.

• Sincronización ⇒ detener un proceso hasta que se produzca un determinado evento o se den ciertas condiciones.


se den ciertas condiciones.• Ambos procesos requieren estrategias y

técnicas de solución.

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