Procesos: estados, PCB y cambio de proceso

«A program consists of code executed by a single process of control. Concurrent processes are not uniquely associated with a piece of code; multiple processes can execute the same code simultaneously.» — Xinu (citado en las diapositivas del curso)

¿Qué es un proceso?

Hay cuatro definiciones equivalentes, y cualquiera sirve en el examen:

• un programa en ejecución;
• una instancia de un programa corriendo;
• la entidad que puede asignarse y ejecutarse en un procesador;
• una unidad de actividad con una secuencia de instrucciones, un estado actual y un conjunto de recursos asociados.

Proceso = código + datos + PCB. Mientras corre, lo caracterizan: identificador, estado, prioridad, PC, punteros de memoria, datos de contexto (registros), información de E/S y contabilidad.

¿Por qué existen? Programar directo sobre el hardware es ineficiente: muchas aplicaciones comparten rutinas, la CPU sola casi no soporta multiprogramación y hay que proteger a unas aplicaciones de otras. Todos los SO modernos se basan en el modelo «una aplicación = uno o más procesos».

Traza: la secuencia de instrucciones que ejecuta un proceso. La CPU intercala las trazas de varios procesos, y un pequeño dispatcher cambia entre ellos. En el ejemplo del libro, el quantum es de 6 instrucciones: A corre 6 y hace time-out; B corre 4 y pide E/S, así que se bloquea; C corre, y así sucesivamente.

Diagramas de estado

Diagramas de estado de procesos

Haz clic en una transición disponible (en violeta) para mover el proceso. Cada transición explica por qué ocurre.

5 estados (Stallings fig. 3.6)7 estados con suspendidos (fig. 3.9b)UNIX SVR4 (9 estados, fig. 3.17)Linux (task_struct->state)

Admit → ReadyReiniciar

New: Recién creado: el SO ya armó su PCB y tablas, pero todavía no lo admite al pool de ejecutables (normalmente su código aún está en disco).

New

Blocked → Running NO existe: al ocurrir el evento, el proceso vuelve a Ready y compite de nuevo por la CPU.

Del modelo de 2 estados al de 5

Con Running / Not running y una sola cola, el dispatcher tendría que recorrer la cola buscando procesos que no estén bloqueados. Por eso Not running se divide en Ready y Blocked, y se agregan New y Exit.

Transición	Cuándo
Null → New	se crea un proceso (tabla 3.1: nuevo job batch, log-on interactivo, el SO lo crea para dar un servicio, o lo genera otro proceso, lo que se llama spawning)
New → Ready	el SO admite un proceso más; limita cuántos según memoria y rendimiento
Ready → Running	el dispatcher lo elige
Running → Ready	se agotó el quantum (el motivo más común), hubo preemption por uno de mayor prioridad, o cedió la CPU voluntariamente
Running → Blocked	pidió algo por lo que debe esperar, normalmente con una system call: un recurso ocupado, una E/S o un mensaje
Blocked → Ready	ocurrió el evento que esperaba
Running → Exit	terminó o abortó
Ready / Blocked → Exit	el padre lo mata, o hay terminación en cascada (no se dibuja en la figura)

Colas: con una sola cola de bloqueados, al ocurrir un evento hay que recorrerla entera. Es mejor tener una cola por evento, y una cola de listos por prioridad. Las colas son listas enlazadas de PCBs.

New y Exit en dos etapas:

• Al crear, primero el SO hace el trabajo administrativo (asigna un ID y construye las tablas) y el proceso queda en New, sin comprometerse aún a ejecutarlo: el código sigue en disco.
• Al terminar, primero pasa a Exit y se conservan sus tablas para la contabilidad; después se borra.

Procesos suspendidos (swapping)

La CPU es tan rápida que es común que todos los procesos en memoria estén bloqueados en E/S. ¿Qué hacer?

• Más memoria: es cara y los programas crecen igual de rápido. Más memoria da procesos más grandes, no más procesos.
• Swapping: llevar a disco un proceso bloqueado, a la cola de suspendidos. El swapping es E/S y podría empeorar las cosas, pero el disco es la E/S más rápida, así que en general mejora el rendimiento.

Traer de vuelta a un proceso bloqueado no sirve. Por eso se cruzan dos dimensiones (bloqueado o no × en memoria o en disco) y resultan Ready, Blocked, Ready/Suspend y Blocked/Suspend.

Incluso con memoria virtual el SO a veces hace swap out completo: si hay demasiados procesos parcialmente en memoria, el rendimiento colapsa (thrashing).

Definición general de proceso suspendido (4 características):

1. No está disponible de inmediato para ejecutarse.
2. Puede o no estar esperando un evento; ambas condiciones son independientes.
3. Lo suspendió un agente: él mismo, su padre o el SO.
4. Solo sale de ese estado cuando ese mismo agente lo ordena.

Razón para suspender (tabla 3.3)	Ejemplo
Swapping	liberar memoria para un proceso listo
Otra razón del SO	un proceso de fondo o sospechoso (por ejemplo, de causar un deadlock)
Pedido del usuario	depuración interactiva
Timing	un proceso periódico de contabilidad que espera su siguiente intervalo
Pedido del padre	examinar o modificar al hijo, o coordinar descendientes

Estructuras de control del SO

El SO mantiene 4 tablas, enlazadas entre sí:

• Memoria: asignación de memoria principal y secundaria, protección y lo necesario para la memoria virtual.
• E/S: qué dispositivo tiene cada proceso y el estado de cada operación.
• Archivos: existencia, ubicación y estado de los archivos.
• Procesos: la tabla primaria de procesos, con una entrada por proceso que apunta a su imagen.

Para construirlas, el SO necesita datos de configuración (cuánta memoria hay, qué dispositivos) que se crean fuera de él.

Imagen del proceso (tabla 3.4)

Elemento	Contenido
User data	parte modificable del espacio de usuario
User program	el código
Stack	una o más pilas LIFO para parámetros y direcciones de retorno de procedimientos y system calls
PCB	lo que el SO necesita para controlarlo

Con paginación, la imagen no es contigua y puede estar en parte en disco: la tabla de procesos debe saber dónde está cada página. Con memoria virtual, la imagen completa vive siempre en disco y en RAM hay copias.

El PCB: «la estructura de datos más importante del SO»

Contiene lo suficiente para interrumpir un proceso y reanudarlo como si nada hubiera pasado. El conjunto de todos los PCBs es el estado del SO.

Categoría (tabla 3.5)	Contenido
1. Identificación	ID del proceso, ID del padre, ID del usuario
2. Estado del procesador	registros visibles al usuario (8–32, o más de 100 en algunos RISC); registros de control y estado: PC, códigos de condición (signo, cero, carry, overflow…) y el PSW (interrupciones habilitadas y modo); punteros de pila
3. Control del proceso	planificación y estado (estado, prioridad, evento que espera), punteros para las colas, IPC (mensajes y señales), privilegios, gestión de memoria (punteros a tablas de páginas o segmentos), recursos en uso y contabilidad

En x86, el PSW es el registro EFLAGS:

• flags de estado: CF, PF, AF, ZF, SF y OF;
• flag de control: DF;
• flags de sistema: IF (interrupciones habilitadas), TF (trap para depurar), IOPL, NT, RF, VM, AC, VIF, VIP e ID.

Protección del PCB: un bug en una rutina, por ejemplo en un handler, puede corromperlo. Por eso todas las rutinas deben pasar por un handler único que lo protege, a cambio de algo de rendimiento.

Modos de ejecución

Modo usuario	Modo kernel (sistema o control)
menos privilegios; no puede ejecutar instrucciones privilegiadas ni tocar ciertas regiones de memoria	control total: registros de control (PSW), E/S primitiva y gestión de memoria

¿Por qué dos modos? Para proteger al SO y a sus tablas (como los PCBs) de los programas de usuario.

Funciones típicas del kernel (tabla 3.7):

• Procesos: creación y terminación, planificación y despacho, cambio de proceso, sincronización e IPC, PCBs.
• Memoria: espacio de direcciones, swapping, páginas y segmentos.
• E/S: buffers y asignación de dispositivos.
• Soporte: interrupciones, contabilidad y monitoreo.

El bit de modo está en el PSW. Pasa a kernel con una system call o una interrupción y vuelve a usuario al retornar. En Itanium, el campo cpl (2 bits) va de 0 (el más privilegiado) a 3; la interrupción lo pone en 0 e irt lo restaura. VAX/VMS usaba 4 anillos (kernel, executive, supervisor, user) con las instrucciones CHM y REI.

Creación de un proceso (5 pasos)

1. Asignar un PID único y una entrada en la tabla primaria.
2. Reservar espacio para la imagen: programa, datos, pila de usuario y PCB (o enlazar el espacio compartido).
3. Inicializar el PCB: registros en 0 salvo el PC (punto de entrada) y los punteros de pila; estado Ready o Ready/Suspend; prioridad por defecto (la más baja); sin recursos salvo los que hereda.
4. Enlazarlo en la cola Ready (o Ready/Suspend).
5. Crear o expandir otras estructuras, como un archivo de contabilidad.

¿Cuándo se cambia de proceso? (tabla 3.8)

Mecanismo	Causa	Uso	Ejemplos
Interrupción	externa a la instrucción actual	reaccionar a un evento asíncrono	reloj (se agotó el quantum), E/S (despertar procesos), fallo de memoria (la página no está: pedirla a disco y bloquear)
Trap	asociado a la instrucción actual	error o excepción	acceso ilegal. Si es fatal, el proceso va a Exit; si no, se intenta recuperar
Supervisor call	pedido explícito	llamar a una función del SO	open(), read(), que pueden bloquear al proceso

Mode switch vs process switch

	Mode switch	Process switch
Qué es	la CPU pasa de modo usuario a kernel, o viceversa, por una interrupción o syscall	cambia el proceso que está en Running
¿Cambia el estado del proceso?	No: al terminar el handler, el mismo proceso puede seguir	Sí: el actual pasa a Ready, Blocked, etc.
Qué se guarda	PC, registros y pila (el estado del procesador), a menudo en hardware	todo lo anterior más actualizar PCBs, colas y memoria
Costo	bajo	alto

Una interrupción no implica necesariamente un cambio de proceso.

Los 7 pasos del process switch:

1. Guardar el contexto del procesador (PC y registros).
2. Actualizar el PCB del proceso que corría: su nuevo estado, el motivo y la contabilidad.
3. Moverlo a la cola correspondiente (Ready, Blocked en el evento i, Ready/Suspend).
4. Seleccionar otro proceso (planificación).
5. Actualizar el PCB del elegido y ponerlo en Running.
6. Actualizar las estructuras de gestión de memoria.
7. Restaurar el contexto del elegido.

«Context switch»

Stallings no usa el término context switch, porque la literatura lo usa de forma inconsistente: a veces significa process switch, otras mode switch o thread switch. En las diapositivas del curso sí aparece como «guardar el estado en PCB₀ y recargarlo de PCB₁». Es overhead puro, y crece con la complejidad del SO y del PCB. Hay hardware con varios juegos de registros para abaratarlo. En Linux, un cambio entre hilos (≈100 ns) es mucho más barato que entre procesos, y migrar a otro núcleo cuesta ≈2× más.

¿El SO es un proceso? (fig. 3.15)

Enfoque	Idea	Detalle
(a) Kernel no-proceso	el kernel corre fuera de todo proceso, con su propia memoria y pila	«proceso» solo aplica a programas de usuario (el enfoque de los SO antiguos)
(b) Dentro de procesos de usuario	el código del SO corre en el contexto del proceso interrumpido, con una pila de kernel por proceso	una interrupción o syscall es solo un mode switch, sin process switch. Evita dos cambios de proceso si el mismo proceso continúa. UNIX usa este enfoque. Proceso y programa no son 1:1
(c) SO basado en procesos	las funciones del kernel son procesos del sistema	más modular; los servicios no críticos (por ejemplo, un monitor de uso) son procesos con prioridad propia; ideal en multiprocesador

UNIX SVR4

• Tiene procesos de sistema (en modo kernel: swapping, asignación de memoria) y procesos de usuario, que entran a modo kernel por una syscall, una excepción (fault) o una interrupción.
• Tiene 9 estados: dos Running (usuario y kernel); Preempted equivale a Ready in memory (comparten la misma cola); Zombie y Created.
• Solo hay preemption al volver de modo kernel a modo usuario, así que UNIX clásico no sirve para tiempo real.
• El proceso 0 es el swapper, que crea al proceso 1 (init), ancestro de todos. Al iniciar sesión, init crea el proceso del usuario.

La imagen de un proceso UNIX (tabla 3.10):

• Contexto de usuario: text (solo lectura), data, user stack y shared memory (una sola copia física, vista por cada proceso en su propio espacio).
• Contexto de registros: PC, PSR, stack pointer y registros generales.
• Contexto de sistema:
  • entrada de la tabla de procesos: siempre en RAM, y el kernel la consulta aunque el proceso no sea el actual. Contiene estado, punteros, tamaño, UID real y UID efectivo (privilegios temporales), PID y PPID, descriptor del evento que espera, prioridad, señales pendientes, timers, P_link y estado de memoria;
  • área U: solo tiene sentido para el proceso actual. Contiene el arreglo de signal handlers, la terminal, el campo de error, el valor de retorno de la syscall, los parámetros de E/S, el directorio actual y la raíz, la tabla de descriptores de archivo, los límites y la máscara de permisos;
  • la tabla de regiones por proceso y la pila de kernel (la parte dinámica).

fork() en SVR4, en 6 pasos:

1. Asigna una entrada en la tabla de procesos.
2. Asigna un PID nuevo.
3. Copia la imagen del padre, salvo la memoria compartida.
4. Incrementa los contadores de los archivos abiertos.
5. Pone al hijo en Ready to Run.
6. Retorna el PID del hijo al padre y 0 al hijo.

Todo ocurre en modo kernel, dentro del padre. Después, el dispatcher puede seguir con el padre, pasar al hijo o pasar a otro proceso.

Problema 3.12 del libro: ¿qué imprime un fork() seguido de printf del pid?

Dos líneas: el padre imprime el PID del hijo (> 0) y el hijo imprime 0. El orden no está garantizado, porque depende del planificador.

Autoevaluación

0/10 correctas · 0 respondidas Reiniciar

1. ¿Un proceso puede pasar de Blocked a Running directamente?

a) Sí, si su prioridad es altab) No: pasa a Ready y compite por la CPUc) Solo en UNIXd) Solo con preemption

2. La causa más común de Running → Ready es…

a) una E/Sb) que se agota el quantum (time-out)c) un error aritméticod) un fork

3. ¿Qué categoría del PCB contiene el PSW?

a) Identificaciónb) Estado del procesadorc) Control del procesod) Contabilidad

4. Una interrupción de reloj que no agota el quantum produce…

a) un process switchb) solo un mode switchc) un trapd) un swap out

5. Diferencia entre interrupción y trap:

a) No hay diferenciab) La interrupción es externa y asíncrona; el trap lo causa la instrucción actual (error o excepción)c) El trap es de hardwared) La interrupción solo ocurre en modo kernel

6. ¿Por qué UNIX SVR4 no es apto para tiempo real?

a) No tiene prioridadesb) No hay preemption mientras un proceso ejecuta en modo kernelc) No tiene swappingd) Tiene 9 estados

7. En el modelo de 7 estados, la suspensión más común es…

a) Ready → Ready/Suspendb) Blocked → Blocked/Suspendc) Running → Exitd) New → Ready

8. Al crear un proceso, el PCB se inicializa con los registros en 0 excepto…

a) el PSWb) el PC y los punteros de pilac) el acumuladord) ninguno

9. Proceso 0 y proceso 1 en UNIX:

a) init y shellb) swapper e initc) kernel y swapperd) idle y cron

10. En el enfoque «SO dentro de procesos de usuario», una syscall provoca…

a) dos process switchesb) un mode switch dentro del mismo procesoc) la creación de un proceso del sistemad) un trap fatal

Fuente ·Stallings 9e, cap. 3 (§3.1–3.7) · lab 1/Resumenes/Stallings/Stallings-Cap3-Procesos-Descripcion-y-Control-Parte1.md · lab 1/Resumenes/Stallings/01-PCB-y-Control-de-Procesos.md · lab 1/Resumenes/Stallings/02-UNIX-SVR4-Process-Management.md · lab 1/Resumenes/Procesos-Signals/02-Processes-and-Threads-Overview.md (Sem02 OST)