CCT-UFCA/Ciência da Computação/Sistemas Operacionais/Gerenciamento de Processos

Conceito de Processos e Threads

Processo:
- Um processo é uma instância de um programa em execução. Ele inclui o código executável, os dados necessários (variáveis, pilha) e o contexto do processador (valores dos registradores).
- Cada processo possui seu próprio espaço de memória.

Exemplo: Um navegador da web aberto com várias guias é um processo, onde cada aba pode ser gerida separadamente.

Thread:
- Threads são divisões de um processo que compartilham o mesmo espaço de memória, mas possuem seu próprio contexto de execução.
- Vantagem: Permitem maior eficiência na execução de tarefas concorrentes dentro de um mesmo processo.

Exemplo: Em um editor de texto, uma thread pode cuidar do salvamento automático enquanto outra gerencia a digitação do usuário.

Estados dos Processos e Transições

Os processos podem estar em diferentes estados durante sua execução, dependendo do uso de recursos e do escalonamento.

Estados Principais:
1. Novo (New): O processo foi criado, mas ainda não está pronto para executar.
2. Pronto (Ready): O processo está aguardando para ser escalonado e usar a CPU.
3. Executando (Running): O processo está atualmente usando a CPU.
4. Bloqueado (Blocked): O processo está esperando por um evento (como a conclusão de I/O).
5. Encerrado (Terminated): O processo terminou sua execução.
Transições Entre Estados:
- Pronto → Executando: Quando o escalonador atribui a CPU ao processo.
- Executando → Pronto: Quando ocorre uma interrupção, como a preempção.
- Executando → Bloqueado: Quando o processo solicita I/O.
- Bloqueado → Pronto: Quando o evento esperado ocorre.

Exemplo: Em um sistema multitarefa, um editor de texto (pronto) pode ser colocado em execução ao clicar em salvar e, em seguida, bloqueado enquanto espera pela conclusão do I/O do disco.

Escalonamento de Processos e Algoritmos de Escalonamento

O escalonador de processos decide a ordem em que os processos terão acesso à CPU. Diferentes algoritmos são usados para otimizar o desempenho.

Objetivos do Escalonamento:
- Maximizar a utilização da CPU.
- Garantir justiça na alocação de recursos.
- Reduzir tempos de espera e resposta.
Principais Algoritmos:
1. First-Come, First-Served (FCFS): Processos são atendidos na ordem de chegada.
  - Desvantagem: Pode causar altos tempos de espera para processos longos.
2. Shortest Job Next (SJN): O processo com menor tempo de execução é atendido primeiro.
  - Desvantagem: Pode causar starvation (processos longos nunca executam).
3. Round Robin (RR): Cada processo recebe um tempo fixo (quantum) para executar.
  - Vantagem: Justo para todos os processos.
4. Priority Scheduling: Processos com maior prioridade são executados primeiro.
  - Desvantagem: Processos de baixa prioridade podem ficar bloqueados.
5. Multilevel Queue: Diferentes filas com prioridades diferentes (ex.: interação com usuário e processos em background).

Exemplo: Em um sistema Round Robin, se cada processo recebe 10ms de quantum, os processos alternam entre si a cada 10ms, garantindo que nenhum monopolize a CPU.

Sincronização e Comunicação entre Processos

Quando processos ou threads precisam trabalhar juntos, o sistema operacional oferece mecanismos para sincronização e comunicação.

Problema Clássico: Processos podem precisar acessar recursos compartilhados, como uma variável, sem causar conflitos.
Mecanismos de Sincronização:
- Semáforos: Sinalizam o acesso a recursos, bloqueando ou desbloqueando outros processos.
- Mutexes (Mutual Exclusion): Garante que apenas um processo acesse um recurso por vez.
- Monitores: Abstrações de alto nível que oferecem sincronização interna.
Comunicação entre Processos (IPC):
- Shared Memory (Memória Compartilhada): Processos acessam uma área comum da memória.
- Message Passing (Passagem de Mensagens): Processos enviam e recebem mensagens, evitando acesso direto à memória.

Exemplo: Ao imprimir um documento, um semáforo pode garantir que apenas um processo acesse a impressora por vez.

Tratamento de Deadlocks

Um deadlock ocorre quando dois ou mais processos ficam permanentemente bloqueados, esperando por recursos que nunca serão liberados.

Condições para Deadlock (Banco de Dados de Coffman):
1. Exclusão mútua: Um recurso só pode ser usado por um processo por vez.
2. Retenção e espera: Processos mantêm recursos já alocados enquanto esperam por novos.
3. Não-preempção: Recursos não podem ser retirados à força de um processo.
4. Espera circular: Uma cadeia de processos espera por recursos uns dos outros.
Tratamento de Deadlocks:
1. Prevenção: Evitar ao menos uma das condições para o deadlock.
  - Exemplo: Evitar espera circular impondo uma ordem para a alocação de recursos.
2. Detecção: Monitorar o sistema para identificar ciclos que indicam deadlocks.
3. Recuperação: Eliminar o deadlock ao:
  - Finalizar um ou mais processos.
  - Revogar recursos alocados.

Exemplo: Em sistemas de banco de dados, a técnica de timeout pode liberar recursos de um processo que está esperando por muito tempo, evitando deadlocks.

Conceito de Processos e Threads

Estados dos Processos e Transições

Escalonamento de Processos e Algoritmos de Escalonamento

Sincronização e Comunicação entre Processos

Tratamento de Deadlocks

Referências