Concepto de Proceso

Un Sistema Operativo (SO) ejecuta una variedad de programas:

• Sistemas Batch o trabajos
• Tiempo compartido (tareas o programas de usuario)

Proceso y Trabajo se utilizan a menudo para decir lo mismo. Sin embargo, un proceso es más que un programa en ejecución, debe tener un progreso secuencial.

Componentes de un Proceso

Un proceso se compone de varias partes:

• Código del programa (llamada sección textual).
• Actividad del momento actual (contador de programa, registros CPU)
• Stack: contiene datos temporales como parámetros de función, valores de retorno y variables locales.
• Sección de Datos: contiene variables globales.
• Heap: contiene memoria asignada dinámicamente durante la ejecución.

Un programa es una entidad pasiva almacenada en disco (archivo ejecutable), mientras que un proceso es activo. Un programa llega a ser un proceso cuando el archivo ejecutable se carga en memoria. La ejecución de un programa se puede realizar vía GUI (clicks de ratón), línea de comandos, etc. Un programa puede tener diferentes procesos, por ejemplo, varios usuarios utilizando el mismo programa.

Estados de un Proceso

Cuando un proceso se ejecuta, cambia de estado:

• New: El proceso se ha creado.
• Running: Las instrucciones se están ejecutando.
• Waiting: El proceso está esperando que ocurra algún evento.
• Ready: El proceso está esperando ser asignado al procesador.
• Terminated: El proceso ha finalizado la ejecución.

Process Control Block (PCB)

El PCB (Bloque de Control del Proceso) contiene información asociada a cada proceso (también se llama task control block).

El PCB almacena:

• Estado del proceso: running, waiting, etc.
• Contador de Programa: puntero a la próxima instrucción a ejecutar.
• Registros CPU
• Información de Scheduling CPU: prioridades, colas, etc.
• Información de Gestión de Memoria
• Información de auditoría: CPU utilizada, tiempos de reloj.
• Información de estado de I/O: dispositivos I/O asignados a los procesos, descriptores de ficheros abiertos.

Cuando la CPU cambia a otro proceso, el sistema debe salvar el estado del proceso antiguo y cargar el estado guardado del proceso nuevo a cargar, vía cambio de contexto. El Contexto de un proceso se presenta en el PCB. El Cambio de contexto suele ser pesado para el sistema, lo que significa que no trabaja bien en esos cambios. La parte más compleja de los SO y el PCB es la duración del cambio de contexto. El tiempo depende del Hardware, a veces el HW provee una serie de registros de CPU que permiten múltiples cambios cargados a la vez. El intercambio de procesos suele ser costoso en cuanto a recursos.

Los Threads o hilos, son como entidades de procesos más pequeñas, con menos recursos.

Planificación de Procesos (Scheduling)

El objetivo de la planificación de procesos es maximizar el uso de CPU, realizando un rápido intercambio de procesos en la CPU para tiempo compartido.

El planificador de procesos (scheduler) selecciona entre los procesos disponibles para su próxima ejecución en la CPU.

Colas de Planificación

El planificador mantiene las siguientes colas de planificación de los procesos:

• Cola de trabajos (Job Queue): conjunto de todos los procesos del sistema.
• Cola de Preparados (Ready Queue): conjunto de procesos residentes en memoria principal, preparados o en espera para ejecutarse.
• Cola de E/S (Device Queue): conjunto de procesos en espera por un dispositivo E/S.

Los procesos migran entre las distintas colas.

Tipos de Schedulers

• Planificador a Corto Plazo (CPU Scheduler): selecciona qué proceso debería ser ejecutado a continuación y lo asigna a la CPU. Normalmente es el único del sistema. Es invocado frecuentemente (ms) => Debe ser rápido.
• Planificador a Largo Plazo (Job Scheduler): selecciona qué proceso debería ser llevado a la cola de preparados. Es invocado no frecuentemente (segundos, minutos) => más lento. El Planificador a Largo Plazo controla el Grado de Multiprogramación.

Descripción de los Procesos:

• Procesos de I/O: gastan más tiempo realizando acciones I/O.
• Procesos CPU: gastan más tiempo realizando computaciones => ráfagas de CPU muy largas.

El Planificador a Largo plazo se esfuerza de realizar una buena mezcla de procesos.

• Planificador a Medio Plazo: puede ser añadido si el grado de multiprogramación requiere minimizarse. Traslada los procesos de memoria principal, guardándolos en disco, y los trae del disco a memoria principal: swapping.

Multitasking en Dispositivos Móviles

Algunos dispositivos móviles (antiguos iOS y Android) permitían sólo un proceso en ejecución, los otros suspendidos.

En iOS, debido a las limitaciones de la pantalla, las interfaces de usuario proveían:

• Único proceso en primer plano (foreground): controlado vía Interfaz.
• Múltiple procesos en segundo plano (background): en memoria, en ejecución, pero no en pantalla y con limitación. Los límites incluyen tareas cortas, notificación de eventos, o algunas tareas de ejecución larga como reproducción de audio.

Android ejecuta procesos foreground y background, con menos límites:

• Los procesos background utilizan un servicio para realizar tareas.
• Los servicios pueden permanecer en ejecución aún si está suspendido.
• Los servicios no tienen Interfaz, menos memoria de uso.