"PROCESOS Y PROCESADORES EN SISTEMAS DISTRIBUIDOS"

UNIDAD 3.-PROCESOS Y PROCESADORES EN SISTEMAS DISTRIBUIDOS

3.1 PROCESOS PROCESADORES CONCEPTOS BASICOS

UN HILO DE EJECUCIÓN, EN SISTEMAS OPERATIVOS, ES UNA CARACTERÍSTICA QUE PERMITE A UNA APLICACIÓN REALIZAR VARIAS TAREAS CONCURRENTEMENTE. LOS DISTINTOS HILOS DE EJECUCIÓN COMPARTEN UNA SERIE DE RECURSOS TALES COMO EL ESPACIO DE MEMORIA, LOS ARCHIVOS ABIERTOS, SITUACIÓN DE AUTENTICACIÓN, ETC. ESTA TÉCNICA PERMITE SIMPLIFICAR EL DISEÑO DE UNA APLICACIÓN QUE DEBE LLEVAR A CABO DISTINTAS FUNCIONES SIMULTÁNEAMENTE.

LOS HILOS DE EJECUCIÓN QUE COMPARTEN LOS MISMOS RECURSOS, SUMADOS A ESTOS RECURSOS, SON EN CONJUNTO CONOCIDOS COMO UN PROCESO. EL HECHO DE QUE LOS HILOS DE EJECUCIÓN DE UN MISMO PROCESO COMPARTAN LOS RECURSOS HACE QUE CUALQUIERA DE ESTOS HILOS PUEDA MODIFICAR ÉSTOS. CUANDO UN HILO MODIFICA UN DATO EN LA MEMORIA, LOS OTROS HILOS ACCEDEN E ESE DATO MODIFICADO INMEDIATAMENTE.

LO QUE ES PROPIO DE CADA HILO ES EL CONTADOR DE PROGRAMA, LA PILA DE EJECUCIÓN Y EL ESTADO DE LA CPU (INCLUYENDO EL VALOR DE LOS REGISTROS).

EL PROCESO SIGUE EN EJECUCIÓN MIENTRAS AL MENOS UNO DE SUS HILOS DE EJECUCIÓN SIGA ACTIVO. CUANDO EL PROCESO ES TERMINADO, TODOS SUS HILOS DE EJECUCIÓN TAMBIÉN LO SON. ASIMISMO EN EL MOMENTO EN EL QUE TODOS LOS HILOS DE EJECUCIÓN FINALIZAN, EL PROCESO NO EXISTE MÁS Y TODOS SUS RECURSOS SON LIBERADOS.

ALGUNOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN TIENEN CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO EXPRESAMENTE CREADAS PARA PERMITIR A LOS PROGRAMADORES LIDIAR CON HILOS DE EJECUCIÓN (COMO JAVA). OTROS (LA MAYORÍA) DESCONOCEN LA EXISTENCIA DE HILOS DE EJECUCIÓN Y ÉSTOS DEBEN SER CREADOS MEDIANTE LLAMADAS DE BIBLIOTECA ESPECIALES QUE DEPENDEN DEL SISTEMA OPERATIVO EN EL QUE ESTOS LENGUAJES ESTÁN SIENDO UTILIZADOS (COMO ES EL CASO DEL C Y DEL C++).

UN EJEMPLO DE LA UTILIZACIÓN DE HILOS ES TENER UN HILO ATENTO A LA INTERFAZ GRÁFICA (ICONOS, BOTONES, VENTANAS), MIENTRAS OTRO HILO HACE UNA LARGA OPERACIÓN INTERNAMENTE. DE ESTA MANERA EL PROGRAMA RESPONDE DE MANERA MÁS ÁGIL A LA INTERACCIÓN CON EL USUARIO. TAMBIÉN PUEDEN SER UTILIZADOS POR UNA APLICACIÓN SERVIDORA PARA DAR SERVICIO A MÚLTIPLES CLIENTES.

SINCRONIZACIÓN DE HILOS

TODOS LOS HILOS COMPARTEN EL MISMO ESPACIO DE DIRECCIONES Y OTROS RECURSOS COMO PUEDEN SER ARCHIVOS ABIERTOS. CUALQUIER MODIFICACIÓN DE UN RECURSO DESDE UN HILO AFECTA AL ENTORNO DEL RESTO DE LOS HILOS DEL MISMO PROCESO. POR LO TANTO, ES NECESARIO SINCRONIZAR LA ACTIVIDAD DE LOS DISTINTOS HILOS PARA QUE NO INTERFIERAN UNOS CON OTROS O CORROMPAN ESTRUCTURAS DE DATOS.

UNA VENTAJA DE LA PROGRAMACIÓN MULTIHILO ES QUE LOS PROGRAMAS OPERAN CON MAYOR VELOCIDAD EN SISTEMAS DE COMPUTADORES CON MÚLTIPLES CPUS (SISTEMAS MULTIPROCESADOR O A TRAVÉS DE GRUPO DE MÁQUINAS) YA QUE LOS HILOS DEL PROGRAMA SE PRESTAN VERDADERAMENTE PARA LA EJECUCIÓN CONCURRENTE. EN TAL CASO EL PROGRAMADOR NECESITA SER CUIDADOSO PARA EVITAR CONDICIONES DE CARRERA (PROBLEMA QUE SUCEDE CUANDO DIFERENTES HILOS O PROCESOS ALTERAN DATOS QUE OTROS TAMBIÉN ESTÁN USANDO), Y OTROS COMPORTAMIENTOS NO INTUITIVOS. LOS HILOS GENERALMENTE REQUIEREN REUNIRSE PARA PROCESAR LOS DATOS EN EL ORDEN CORRECTO. ES POSIBLE QUE LOS HILOS REQUIERAN DE OPERACIONES ATÓMICAS PARA IMPEDIR QUE LOS DATOS COMUNES SEAN CAMBIADOS O LEÍDOS MIENTRAS ESTÉN SIENDO MODIFICADOS, PARA LO QUE USUALMENTE SE UTILIZAN LOS SEMÁFOROS. EL DESCUIDO DE ESTO PUEDE GENERAR INTERBLOQUEO.

FORMAS DE MULTIHILOS

LOS SISTEMAS OPERATIVOS GENERALMENTE IMPLEMENTAN HILOS DE DOS MANERAS:

MULTIHILO APROPIATIVO: PERMITE AL SISTEMA OPERATIVO DETERMINAR CUÁNDO DEBE HABER UN CAMBIO DE CONTEXTO. LA DESVENTAJA DE ESTO ES QUE EL SISTEMA PUEDE HACER UN CAMBIO DE CONTEXTO EN UN MOMENTO INADECUADO, CAUSANDO UN FENÓMENO CONOCIDO COMO INVERSIÓN DE PRIORIDADES Y OTROS PROBLEMAS.

MULTIHILO COOPERATIVO: DEPENDE DEL MISMO HILO ABANDONAR EL CONTROL CUANDO LLEGA A UN PUNTO DE DETENCIÓN, LO CUAL PUEDE TRAER PROBLEMAS CUANDO EL HILO ESPERA LA DISPONIBILIDAD DE UN RECURSO.

EL SOPORTE DE HARDWARE PARA MULTIHILO DESDE HACE POCO SE ENCUENTRA DISPONIBLE. ESTA CARACTERÍSTICA FUE INTRODUCIDA POR INTEL EN EL PENTIUM 4, BAJO EL NOMBRE DE HYPER THREADING?.

USOS MÁS COMUNES

TRABAJO INTERACTIVO Y EN SEGUNDO PLANO

POR EJEMPLO, EN UN PROGRAMA DE HOJA DE CÁLCULO UN HILO PUEDE ESTAR VISUALIZANDO LOS MENÚS Y LEER LA ENTRADA DEL USUARIO MIENTRAS QUE OTRO HILO EJECUTA LAS ÓRDENES Y ACTUALIZA LA HOJA DE CÁLCULO. ESTA MEDIDA SUELE AUMENTAR LA VELOCIDAD QUE SE PERCIBE EN LA APLICACIÓN, PERMITIENDO QUE EL PROGRAMA PIDA LA ORDEN SIGUIENTE ANTES DE TERMINAR LA ANTERIOR.

PROCESAMIENTO ASÍNCRONO

LOS ELEMENTOS ASÍNCRONOS DE UN PROGRAMA SE PUEDEN IMPLEMENTAR COMO HILOS. UN EJEMPLO ES COMO LOS SOFTWARES DE PROCESAMIENTO DE TEXTO GUARDAN ARCHIVOS TEMPORALES CUANDO SE ESTÁ TRABAJANDO EN DICHO PROGRAMA. SE CREA UN HILO QUE TIENE COMO FUNCIÓN GUARDAR UNA COPIA DE RESPALDO MIENTRAS SE CONTINÚA CON LA OPERACIÓN DE ESCRITURA POR EL USUARIO SIN INTERFERIR EN LA MISMA.

ACELERACIÓN DE LA EJECUCIÓN

SE PUEDEN EJECUTAR, POR EJEMPLO, UN LOTE MIENTRAS OTRO HILO LEE EL LOTE SIGUIENTE DE UN DISPOSITIVO.

IMPLEMENTACIONES

HAY DOS GRANDES CATEGORÍAS EN LA IMPLEMENTACIÓN DE HILOS:

HILOS A NIVEL DE USUARIO

HILOS A NIVEL DE KERNEL

TAMBIÉN CONOCIDOS COMO ULT (USER LEVEL THREAD) Y KLT (KERNEL LEVEL THREAD)

HILOS A NIVEL DE USUARIO (ULT) EN UNA APLICACIÓN ULT PURA, TODO EL TRABAJO DE GESTIÓN DE HILOS LO REALIZA LA APLICACIÓN Y EL NÚCLEO O KERNEL NO ES CONSCIENTE DE LA EXISTENCIA DE HILOS. ES POSIBLE PROGRAMAR UNA APLICACIÓN COMO MULTIHILO MEDIANTE UNA BIBLIOTECA DE HILOS. LA MISMA CONTIENE EL CÓDIGO PARA CREAR Y DESTRUIR HILOS, INTERCAMBIAR MENSAJES Y DATOS ENTRE HILOS, PARA PLANIFICAR LA EJECUCIÓN DE HILOS Y PARA SALVAR Y RESTAURAR EL CONTEXTO DE LOS HILOS.

TODAS LAS OPERACIONES DESCRITAS SE LLEVAN A CABO EN EL ESPACIO DE USUARIO DE UN MISMO PROCESO. EL KERNEL CONTINUA PLANIFICANDO EL PROCESO COMO UNA UNIDAD Y ASIGNÁNDOLE UN ÚNICO ESTADO (LISTO, BLOQUEADO, ETC.).

VENTAJAS DE LOS ULT

EL INTERCAMBIO DE LOS HILOS NO NECESITA LOS PRIVILEGIOS DEL MODO KERNEL, POR QUE TODAS LAS ESTRUCTURAS DE DATOS ESTÁN EN EL ESPACIO DE DIRECCIONES DE USUARIO DE UN MISMO PROCESO. POR LO TANTO, EL PROCESO NO DEBE CAMBIAR A MODO KERNEL PARA GESTIONAR HILOS. SE EVITA LA SOBRECARGA DE CAMBIO DE MODO Y CON ESTO EL SOBRECOSTE.

SE PUEDE REALIZAR UNA PLANIFICACIÓN ESPECÍFICA. DEPENDIENDO DE QUE APLICACIÓN SEA, SE PUEDE DECIDIR POR UNA U OTRA PLANIFICACIÓN SEGÚN SUS VENTAJAS.

LOS ULT PUEDEN EJECUTAR EN CUALQUIER SISTEMA OPERATIVO. LA BIBLIOTECA DE HILOS ES UN CONJUNTO COMPARTIDO. DESVENTAJAS DE LOS ULT

EN LA MAYORÍA DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS LAS LLAMADAS AL SISTEMA (SYSTEM CALLS) SON BLOQUEANTES. CUANDO UN HILO REALIZA UNA LLAMADA AL SISTEMA, SE BLOQUEA EL MISMO Y TAMBIÉN EL RESTO DE LOS HILOS DEL PROCESO.

EN UNA ESTRATEGIA ULT PURA, UNA APLICACIÓN MULTIHILO NO PUEDE APROVECHAR LAS VENTAJAS DE LOS MULTIPROCESADORES. EL NÚCLEO ASIGNA UN SOLO PROCESO A UN SOLO PROCESADOR, YA QUE COMO EL NÚCLEO NO INTERVIENE, VE AL CONJUNTO DE HILOS COMO UN SOLO PROCESO.

HILOS A NIVEL DE NÚCLEO (KLT)

EN UNA APLICACIÓN KLT PURA, TODO EL TRABAJO DE GESTIÓN DE HILOS LO REALIZA EL KERNEL. EN EL ÁREA DE LA APLICACIÓN NO HAY CÓDIGO DE GESTIÓN DE HILOS, ÚNICAMENTE UN API (INTERFAZ DE PROGRAMAS DE APLICACIÓN) PARA LA GESTIÓN DE HILOS EN EL NÚCLEO. WINDOWS 2000, LINUX Y OS/2 UTILIZAN ESTE MÉTODO. LINUX UTILIZA UN MÉTODO MUY PARTICULAR EN QUE NO HACE DIFERENCIA ENTRE PROCESOS E HILOS, PARA LINUX SI VARIOS PROCESO CREADOS CON LA LLAMADA AL SISTEMA “CLONE” COMPARTEN EL MISMO ESPACIO DE DIRECCIONES VIRTUALES EL SISTEMA OPERATIVO LOS TRATA COMO HILOS Y LÓGICAMENTE SON MANEJADOS POR EL KERNEL. VENTAJAS DE LOS KLT

EL KERNEL PUEDE PLANIFICAR SIMULTÁNEAMENTE MÚLTIPLES HILOS DEL MISMO PROCESO EN MÚLTIPLES PROCESADORES.

SI SE BLOQUEA UN HILO, PUEDE PLANIFICAR OTRO DEL MISMO PROCESO.

LAS PROPIAS FUNCIONES DEL KERNEL PUEDEN SER MULTIHILO

DESVENTAJAS DE LOS KLT

EL PASO DE CONTROL DE UN HILO A OTRO PRECISA DE UN CAMBIO DE MODO.

COMBINACIONES ULT Y KLT

ALGUNOS SISTEMAS OPERATIVOS OFRECEN LA COMBINACIÓN DE ULT Y KLT, COMO SOLARIS.

LA CREACIÓN DE HILOS, ASÍ COMO LA MAYOR PARTE DE LA PLANIFICACIÓN Y SINCRONIZACIÓN DE LOS HILOS DE UNA APLICACIÓN SE REALIZA POR COMPLETO EN EL ESPACIO DE USUARIO. LOS MÚLTIPLES ULT DE UNA SOLA APLICACIÓN SE ASOCIAN CON VARIOS KLT. EL PROGRAMADOR PUEDE AJUSTAR EL NÚMERO GLOBALO DE KLT PARA CADA APLICACIÓN Y MÁQUINA PARA OBTENER EL MEJOR RESULTAD.

3.2 HILOS Y MULTIHILOS

 

HILOS

TORSIÓN DE LOS HILOS
LA TORSIÓN DE UN HILO ES EL NÚMERO DE VUELTAS QUE SE LE DA POR UNIDAD DE LONGITUD. ESTA TORSIÓN, COMO HEMOS DICHO ANTES, TIENE COMO FINALIDAD PRINCIPAL AUMENTAR LA COHESIÓN ENTRE LAS FIBRAS Y CONSERVAR DE ESE MODO SU POSICIÓN EN ESOS HILOS.
SENTIDO DE LA TORSIÓN
POR EL GRÁFICO SE PUEDEN VER LAS DOS FORMAS DE TORSIÓN: 
 
TORSIÓN EN   Z 
(VUELTAS A LA IZDA.)  TORSIÓN EN   S 
(VUELTAS A LA DCHA.) | |
HILO FANTASÍA
HILO QUE HA SIDO FABRICADO DELIBERADAMENTE DISTINTO DE UN HILO CLÁSICO, A BASE DE MEZCLAS DIVERSAS DE MATERIAS Y FIBRAS PARA CONSEGUIR UN ASPECTO DIFERENTE Y EMPLEARLOS EN LA FABRICACIÓN DE TEJIDOS NOVEDOSOS. 
SU COMPOSICIÓN ESENCIALMENTE ES LA SIGUIENTE: 

        * HILO DE ALMA, ES EL HILO QUE FORMA EL NÚCLEO DEL RESULTANTE. 
        * HILO DE EFECTO, EL DESTINADO A PRODUCIR LA FANTASÍA. 
        * HILO DE LIGADURA, ES EL HILO QUE SUJETA EL CONJUNTO. 
A LOS HILOS DE FANTASÍA, E INCLUSO A LOS TEXTURADOS, SE LES SUELE NOMBRAR GENÉRICAMENTE HILOS ESPECIALES.

EJEMPLOS DE HILOS DE FANTASÍA

HILOS BOTONNÉ
LLEVA A INTERVALOS, MÁS O MENOS REGULARES, NUDOS, GATAS O PARTES GRUESAS SOBRE EL HILO DE EFECTO.

HILOS DE SERRETA
RETORCIDO EN SENTIDO CONTRARIO DE HILOS QUE TIENEN DISTINTO GRUESO.

HILOS DE VAGUILLA O BUCLES
EFECTO DE PEQUEÑAS ANILLAS O BOUCLES EN EL HILO DE EFECTO.
 

HILOS FLAMEADOS
EN ELLOS EL HILO DE EFECTO ESTÁ A TRAMOS TORCIDO Y SIN TORCER.
PROCEDIMIENTO DE ELABORACIÓN DE UN HILO DE FANTASÍA.
EL PROCEDIMIENTO TIENE POR FINALIDAD OBTENER UNA TIRA DE TEJIDO MUY ESTRECHA QUE PUEDE SER UTILIZABLE COMO UN HILO, EL CUAL PRESENTA DIFERENTES POSIBILIDADES DE DISEÑO QUE VENDRÁN IMPUESTAS POR LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS TEJIDOS DE LOS QUE SE PARTE PARA SU OBTENCIÓN Y PUEDE CONSIDERARSE COMO UN HILO DE FANTASÍA. PARTIENDO DE MATERIA PRIMA CONSTITUIDA POR FIBRAS SINTÉTICAS, EL PROCEDIMIENTO SE BASA EN OBTENER TEJIDOS DE PUNTO POR URDIMBRE CON O SIN ASPECTO ATERCIOPELADO, MEDIANTE...

MODELOS DE PROCESADORES

3.3.1 DE ESTACION DE TRABAJO

 

UN HILO DE EJECUCIÓN, EN SISTEMAS OPERATIVOS, ES UNA CARACTERÍSTICA QUE PERMITE A UNA APLICACIÓN REALIZAR VARIAS TAREAS CONCURRENTEMENTE. LOS DISTINTOS HILOS DE EJECUCIÓN COMPARTEN UNA SERIE DE RECURSOS TALES COMO EL ESPACIO DE MEMORIA, LOS ARCHIVOS ABIERTOS, SITUACIÓN DE AUTENTICACIÓN, ETC. ESTA TÉCNICA PERMITE SIMPLIFICAR EL DISEÑO DE UNA APLICACIÓN QUE DEBE LLEVAR A CABO DISTINTAS FUNCIONES SIMULTÁNEAMENTE.

LOS HILOS DE EJECUCIÓN QUE COMPARTEN LOS MISMOS RECURSOS, SUMADOS A ESTOS RECURSOS, SON EN CONJUNTO CONOCIDOS COMO UN PROCESO. EL HECHO DE QUE LOS HILOS DE EJECUCIÓN DE UN MISMO PROCESO COMPARTAN LOS RECURSOS HACE QUE CUALQUIERA DE ESTOS HILOS PUEDA MODIFICAR ÉSTOS. CUANDO UN HILO MODIFICA UN DATO EN LA MEMORIA, LOS OTROS HILOS ACCEDEN E ESE DATO MODIFICADO INMEDIATAMENTE.

LO QUE ES PROPIO DE CADA HILO ES EL CONTADOR DE PROGRAMA, LA PILA DE EJECUCIÓN Y EL ESTADO DE LA CPU (INCLUYENDO EL VALOR DE LOS REGISTROS).

EL PROCESO SIGUE EN EJECUCIÓN MIENTRAS AL MENOS UNO DE SUS HILOS DE EJECUCIÓN SIGA ACTIVO. CUANDO EL PROCESO ES TERMINADO, TODOS SUS HILOS DE EJECUCIÓN TAMBIÉN LO SON. ASIMISMO EN EL MOMENTO EN EL QUE TODOS LOS HILOS DE EJECUCIÓN FINALIZAN, EL PROCESO NO EXISTE MÁS Y TODOS SUS RECURSOS SON LIBERADOS.

ALGUNOS LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN TIENEN CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO EXPRESAMENTE CREADAS PARA PERMITIR A LOS PROGRAMADORES LIDIAR CON HILOS DE EJECUCIÓN (COMO JAVA). OTROS (LA MAYORÍA) DESCONOCEN LA EXISTENCIA DE HILOS DE EJECUCIÓN Y ÉSTOS DEBEN SER CREADOS MEDIANTE LLAMADAS DE BIBLIOTECA ESPECIALES QUE DEPENDEN DEL SISTEMA OPERATIVO EN EL QUE ESTOS LENGUAJES ESTÁN SIENDO UTILIZADOS (COMO ES EL CASO DEL C Y DEL C++).

UN EJEMPLO DE LA UTILIZACIÓN DE HILOS ES TENER UN HILO ATENTO A LA INTERFAZ GRÁFICA (ICONOS, BOTONES, VENTANAS), MIENTRAS OTRO HILO HACE UNA LARGA OPERACIÓN INTERNAMENTE. DE ESTA MANERA EL PROGRAMA RESPONDE DE MANERA MÁS ÁGIL A LA INTERACCIÓN CON EL USUARIO. TAMBIÉN PUEDEN SER UTILIZADOS POR UNA APLICACIÓN SERVIDORA PARA DAR SERVICIO A MÚLTIPLES CLIENTES.

SINCRONIZACIÓN DE HILOS

TODOS LOS HILOS COMPARTEN EL MISMO ESPACIO DE DIRECCIONES Y OTROS RECURSOS COMO PUEDEN SER ARCHIVOS ABIERTOS. CUALQUIER MODIFICACIÓN DE UN RECURSO DESDE UN HILO AFECTA AL ENTORNO DEL RESTO DE LOS HILOS DEL MISMO PROCESO. POR LO TANTO, ES NECESARIO SINCRONIZAR LA ACTIVIDAD DE LOS DISTINTOS HILOS PARA QUE NO INTERFIERAN UNOS CON OTROS O CORROMPAN ESTRUCTURAS DE DATOS.

UNA VENTAJA DE LA PROGRAMACIÓN MULTIHILO ES QUE LOS PROGRAMAS OPERAN CON MAYOR VELOCIDAD EN SISTEMAS DE COMPUTADORES CON MÚLTIPLES CPUS (SISTEMAS MULTIPROCESADOR O A TRAVÉS DE GRUPO DE MÁQUINAS) YA QUE LOS HILOS DEL PROGRAMA SE PRESTAN VERDADERAMENTE PARA LA EJECUCIÓN CONCURRENTE. EN TAL CASO EL PROGRAMADOR NECESITA SER CUIDADOSO PARA EVITAR CONDICIONES DE CARRERA (PROBLEMA QUE SUCEDE CUANDO DIFERENTES HILOS O PROCESOS ALTERAN DATOS QUE OTROS TAMBIÉN ESTÁN USANDO), Y OTROS COMPORTAMIENTOS NO INTUITIVOS. LOS HILOS GENERALMENTE REQUIEREN REUNIRSE PARA PROCESAR LOS DATOS EN EL ORDEN CORRECTO. ES POSIBLE QUE LOS HILOS REQUIERAN DE OPERACIONES ATÓMICAS PARA IMPEDIR QUE LOS DATOS COMUNES SEAN CAMBIADOS O LEÍDOS MIENTRAS ESTÉN SIENDO MODIFICADOS, PARA LO QUE USUALMENTE SE UTILIZAN LOS SEMÁFOROS. EL DESCUIDO DE ESTO PUEDE GENERAR INTERBLOQUEO.

FORMAS DE MULTIHILOS

LOS SISTEMAS OPERATIVOS GENERALMENTE IMPLEMENTAN HILOS DE DOS MANERAS:

MULTIHILO APROPIATIVO: PERMITE AL SISTEMA OPERATIVO DETERMINAR CUÁNDO DEBE HABER UN CAMBIO DE CONTEXTO. LA DESVENTAJA DE ESTO ES QUE EL SISTEMA PUEDE HACER UN CAMBIO DE CONTEXTO EN UN MOMENTO INADECUADO, CAUSANDO UN FENÓMENO CONOCIDO COMO INVERSIÓN DE PRIORIDADES Y OTROS PROBLEMAS.

MULTIHILO COOPERATIVO: DEPENDE DEL MISMO HILO ABANDONAR EL CONTROL CUANDO LLEGA A UN PUNTO DE DETENCIÓN, LO CUAL PUEDE TRAER PROBLEMAS CUANDO EL HILO ESPERA LA DISPONIBILIDAD DE UN RECURSO.

EL SOPORTE DE HARDWARE PARA MULTIHILO DESDE HACE POCO SE ENCUENTRA DISPONIBLE. ESTA CARACTERÍSTICA FUE INTRODUCIDA POR INTEL EN EL PENTIUM 4, BAJO EL NOMBRE DE HYPER THREADING?.

USOS MÁS COMUNES

TRABAJO INTERACTIVO Y EN SEGUNDO PLANO

POR EJEMPLO, EN UN PROGRAMA DE HOJA DE CÁLCULO UN HILO PUEDE ESTAR VISUALIZANDO LOS MENÚS Y LEER LA ENTRADA DEL USUARIO MIENTRAS QUE OTRO HILO EJECUTA LAS ÓRDENES Y ACTUALIZA LA HOJA DE CALCULO. ESTA MEDIDA SUELE AUMENTAR LA VELOCIDAD QUE SE PERCIBE EN LA APLICACIÓN, PERMITIENDO QUE EL PROGRAMA PIDA LA ORDEN SIGUIENTE ANTES DE TERMINAR LA ANTERIOR.

PROCESAMIENTO ASÍNCRONO

LOS ELEMENTOS ASÍNCRONOS DE UN PROGRAMA SE PUEDEN IMPLEMENTAR COMO HILOS. UN EJEMPLO ES COMO LOS SOFTWARES DE PROCESAMIENTO DE TEXTO GUARDAN ARCHIVOS TEMPORALES CUANDO SE ESTÁ TRABAJANDO EN DICHO PROGRAMA. SE CREA UN HILO QUE TIENE COMO FUNCIÓN GUARDAR UNA COPIA DE RESPALDO MIENTRAS SE CONTINÚA CON LA OPERACIÓN DE ESCRITURA POR EL USUARIO SIN INTERFERIR EN LA MISMA.

ACELERACIÓN DE LA EJECUCIÓN

SE PUEDEN EJECUTAR, POR EJEMPLO, UN LOTE MIENTRAS OTRO HILO LEE EL LOTE SIGUIENTE DE UN DISPOSITIVO.

IMPLEMENTACIONES

HAY DOS GRANDES CATEGORÍAS EN LA IMPLEMENTACIÓN DE HILOS:

HILOS A NIVEL DE USUARIO

HILOS A NIVEL DE KERNEL

TAMBIÉN CONOCIDOS COMO ULT (USER LEVEL THREAD) Y KLT (KERNEL LEVEL THREAD)

HILOS A NIVEL DE USUARIO (ULT) EN UNA APLICACIÓN ULT PURA, TODO EL TRABAJO DE GESTIÓN DE HILOS LO REALIZA LA APLICACIÓN Y EL NÚCLEO O KERNEL NO ES CONSCIENTE DE LA EXISTENCIA DE HILOS. ES POSIBLE PROGRAMAR UNA APLICACIÓN COMO MULTIHILO MEDIANTE UNA BIBLIOTECA DE HILOS. LA MISMA CONTIENE EL CÓDIGO PARA CREAR Y DESTRUIR HILOS, INTERCAMBIAR MENSAJES Y DATOS ENTRE HILOS, PARA PLANIFICAR LA EJECUCIÓN DE HILOS Y PARA SALVAR Y RESTAURAR EL CONTEXTO DE LOS HILOS.

TODAS LAS OPERACIONES DESCRITAS SE LLEVAN A CABO EN EL ESPACIO DE USUARIO DE UN MISMO PROCESO. EL KERNEL CONTINUA PLANIFICANDO EL PROCESO COMO UNA UNIDAD Y ASIGNÁNDOLE UN ÚNICO ESTADO (LISTO, BLOQUEADO, ETC.).

VENTAJAS DE LOS ULT

EL INTERCAMBIO DE LOS HILOS NO NECESITA LOS PRIVILEGIOS DEL MODO KERNEL, POR QUE TODAS LAS ESTRUCTURAS DE DATOS ESTÁN EN EL ESPACIO DE DIRECCIONES DE USUARIO DE UN MISMO PROCESO. POR LO TANTO, EL PROCESO NO DEBE CAMBIAR A MODO KERNEL PARA GESTIONAR HILOS. SE EVITA LA SOBRECARGA DE CAMBIO DE MODO Y CON ESTO EL SOBRECOSTE.

SE PUEDE REALIZAR UNA PLANIFICACIÓN ESPECÍFICA. DEPENDIENDO DE QUE APLICACIÓN SEA, SE PUEDE DECIDIR POR UNA U OTRA PLANIFICACIÓN SEGÚN SUS VENTAJAS.

LOS ULT PUEDEN EJECUTAR EN CUALQUIER SISTEMA OPERATIVO. LA BIBLIOTECA DE HILOS ES UN CONJUNTO COMPARTIDO. DESVENTAJAS DE LOS ULT

EN LA MAYORÍA DE LOS SISTEMAS OPERATIVOS LAS LLAMADAS AL SISTEMA (SYSTEM CALLS) SON BLOQUEANTES. CUANDO UN HILO REALIZA UNA LLAMADA AL SISTEMA, SE BLOQUEA EL MISMO Y TAMBIÉN EL RESTO DE LOS HILOS DEL PROCESO.

EN UNA ESTRATEGIA ULT PURA, UNA APLICACIÓN MULTIHILO NO PUEDE APROVECHAR LAS VENTAJAS DE LOS MULTIPROCESADORES. EL NÚCLEO ASIGNA UN SOLO PROCESO A UN SOLO PROCESADOR, YA QUE COMO EL NÚCLEO NO INTERVIENE, VE AL CONJUNTO DE HILOS COMO UN SOLO PROCESO.

HILOS A NIVEL DE NÚCLEO (KLT)

EN UNA APLICACIÓN KLT PURA, TODO EL TRABAJO DE GESTIÓN DE HILOS LO REALIZA EL KERNEL. EN EL ÁREA DE LA APLICACIÓN NO HAY CÓDIGO DE GESTIÓN DE HILOS, ÚNICAMENTE UN API (INTERFAZ DE PROGRAMAS DE APLICACIÓN) PARA LA GESTIÓN DE HILOS EN EL NÚCLEO. WINDOWS 2000, LINUX Y OS/2 UTILIZAN ESTE MÉTODO. LINUX UTILIZA UN MÉTODO MUY PARTICULAR EN QUE NO HACE DIFERENCIA ENTRE PROCESOS E HILOS, PARA LINUX SI VARIOS PROCESO CREADOS CON LA LLAMADA AL SISTEMA “CLONE” COMPARTEN EL MISMO ESPACIO DE DIRECCIONES VIRTUALES EL SISTEMA OPERATIVO LOS TRATA COMO HILOS Y LÓGICAMENTE SON MANEJADOS POR EL KERNEL. VENTAJAS DE LOS KLT

EL KERNEL PUEDE PLANIFICAR SIMULTÁNEAMENTE MÚLTIPLES HILOS DEL MISMO PROCESO EN MÚLTIPLES PROCESADORES.

SI SE BLOQUEA UN HILO, PUEDE PLANIFICAR OTRO DEL MISMO PROCESO.

LAS PROPIAS FUNCIONES DEL KERNEL PUEDEN SER MULTIHILO

DESVENTAJAS DE LOS KLT

EL PASO DE CONTROL DE UN HILO A OTRO PRECISA DE UN CAMBIO DE MODO.

COMBINACIONES ULT Y KLT

ALGUNOS SISTEMAS OPERATIVOS OFRECEN LA COMBINACIÓN DE ULT Y KLT, COMO SOLARIS.

LA CREACIÓN DE HILOS, ASÍ COMO LA MAYOR PARTE DE LA PLANIFICACIÓN Y SINCRONIZACIÓN DE LOS HILOS DE UNA APLICACIÓN SE REALIZA POR COMPLETO EN EL ESPACIO DE USUARIO. LOS MÚLTIPLES ULT DE UNA SOLA APLICACIÓN SE ASOCIAN CON VARIOS KLT. EL PROGRAMADOR PUEDE AJUSTAR EL NÚMERO DE KLT PARA CADA APLICACIÓN Y MÁQUINA PARA OBTENER EL MEJOR RESULTADO GLOBAL.

3.3.2 DE PILA DE PROCESADORES 

EL MODELO DE LA PILA DE PROCESADORES

SE DISPONE DE UN CONJUNTO DE CPU QUE SE PUEDEN ASIGNAR DINÁMICAMENTE A LOS USUARIOS SEGÚN LA DEMANDA.

LOS USUARIOS NO DISPONEN DE ESTACIONES DE TRABAJO SINO DE TERMINALES GRÁFICAS DE ALTO RENDIMIENTO.

NO EXISTE EL CONCEPTO DE PROPIEDAD DE LOS PROCESADORES, LOS QUE PERTENECEN A TODOS Y SE UTILIZAN COMPARTIDAMENTE.

EL PRINCIPAL ARGUMENTO PARA LA CENTRALIZACIÓN DEL PODER DE CÓMPUTO COMO UNA PILA DE PROCESADORES PROVIENE DE LA TEORÍA DE COLAS:

• LLAMAMOS “L” A LA TASA DE ENTRADAS TOTALES DE SOLICITUDES POR SEGUNDO DE TODOS LOS USUARIOS COMBINADOS.
• LLAMAMOS “M” A LA TASA DE PROCESAMIENTO DE SOLICITUDES POR PARTE DEL SERVIDOR.
• PARA UNA OPERACIÓN ESTABLE DEBE DARSE QUE “M > L”:

-SE PUEDEN PERMITIR PEQUEÑOS LAPSOS DE TIEMPO EN LOS QUE LA TASA DE ENTRADA EXCEDA A LA DE SERVICIO.

• LLAMAMOS “T” AL PROMEDIO DE TIEMPO ENTRE LA EMISIÓN DE UNA SOLICITUD Y LA OBTENCIÓN DE UNA RESPUESTA COMPLETA:

-T = 1 / ( M - L ).

-CUANDO “ L ” TIENDE A “0”, “T” NO TIENDE A “0”.

• SUPONGAMOS QUE TENEMOS “N” MULTIPROCESADORES PERSONALES, CADA UNO CON CIERTO NÚMERO DE CPU Y CON SU PROPIO SISTEMA DE COLAS CON TASAS “ L ” Y “ M ” Y TIEMPO “T”:

-SI REUNIMOS TODAS LAS CPU Y FORMAMOS UNA SOLA PILA DE PROCESADORES TENDREMOS UN SOLO SISTEMA DE COLAS EN VEZ DE “N” COLAS EJECUTÁNDOSE EN PARALELO.

-LA TASA DE ENTRADA SERÁ “N L”, LA TASA DE SERVICIO SERÁ “N M” Y EL TIEMPO PROMEDIO DE RESPUESTA SERÁ:

¡T1 = 1 / (N M - N L) = 1 / N ( M - L) = T / N.

-CONCLUSIÓN: SI REEMPLAZAMOS “N” PEQUEÑOS RECURSOS POR UNO GRANDE QUE SEA “N” VECES MÁS PODEROSO:

PODEMOS REDUCIR EL TIEMPO PROMEDIO DE RESPUESTA “N” VECES.

EL MODELO DE PILA ES MÁS EFICIENTE QUE EL MODELO DE BÚSQUEDA DE ESTACIONES INACTIVAS.

TAMBIÉN EXISTE EL MODELO HÍBRIDO QUE CONSTA DE ESTACIONES DE TRABAJO Y UNA PILA DE PROCESADORES. 

3.3.3 HIBRIDO

 

• MODELO HÍBRIDO:

– LOS TRABAJOS INTERACTIVOS SE EJECUTAN EN LAS ESTACIONES DE TRABAJO MIENTRAS QUE LOS NO INTERACTIVOS SE EJECUTAN EN LA PILA DE PROCESADORES.

• EL MODELO DE LAS ESTACIONES DE TRABAJO SUELE COINCIDIR EN LA ACTUALIDAD CON LA MAYORÍA DE LAS ORGANIZACIONES.

– CUANDO SE UTILIZA ESTE MODELO HAY UNA SERIE DE ASPECTOS A TENER EN CUENTA:

• LA ASIGNACIÓN DE PROCESOS A LOS PROCESADORES.

• LOS ALGORITMOS DE DISTRIBUCIÓN DE LA CARGA.

– • LA PLANIFICACIÓN DE LOS PROCESOS EN UN SISTEMA DISTRIBUIDO.

3.4 ASIGNACION DE PROCESADORES

 

ASIGNACIÓN DE PROCESADORES

SON NECESARIOS ALGORITMOS PARA DECIDIR CUÁL PROCESO HAY QUE EJECUTAR Y EN QUÉ MÁQUINA [25, TANENBAUM].

PARA EL MODELO DE ESTACIONES DE TRABAJO:

• DECIDIR CUÁNDO EJECUTAR EL PROCESO DE MANERA LOCAL Y CUÁNDO ES NECESARIO BUSCAR ESTACIONES INACTIVAS O NO LOCALES QUE TIENEN UNA CONEXIÓN A LA MISMA RED PERO FUERA DE ELLA.

PARA EL MODELO DE LA PILA DE PROCESADORES:

• DECIDIR DÓNDE EJECUTAR CADA NUEVO PROCESO RESPECTO DE LA MISMA MAQUINA QUE ES LA TABLA (LISTA) DE LOS PROCESOS QUE SE CREAN DENTRO DE LA MAQUINA.

3.4.1 MODELOS ALGORITMOS DISEÑO IMPLANTACIÓN

 

ASPECTOS DEL DISEÑO DE ALGORITMOS DE ASIGNACIÓN DE PROCESADORES

LOS PRINCIPALES ASPECTOS SON LOS SIGUIENTES:

ALGORITMOS DETERMINISTAS VS. HEURÍSTICOS.

ALGORITMOS CENTRALIZADOS VS. DISTRIBUIDOS.

ALGORITMOS ÓPTIMOS VS. SUBÓPTIMOS.

ALGORITMOS LOCALES VS. GLOBALES.

ALGORITMOS INICIADOS POR EL EMISOR VS. INICIADOS POR EL RECEPTOR.

LOS ALGORITMOS DETERMINISTAS SON ADECUADOS CUANDO SE SABE ANTICIPADAMENTE TODO ACERCA DEL COMPORTAMIENTO DE LOS PROCESOS, PERO ESTO GENERALMENTE NO SE DA, AUNQUE PUEDE HABER EN CIERTOS CASOS APROXIMACIONES ESTADÍSTICAS. LOS ALGORITMOS HEURÍSTICOS SON ADECUADOS CUANDO LA CARGA ES IMPREDECIBLE.

LOS DISEÑOS CENTRALIZADOS PERMITEN REUNIR TODA LA INFORMACIÓN EN UN LUGAR Y TOMAR UNA MEJOR DECISIÓN; LA DESVENTAJA ES QUE LA MÁQUINA CENTRAL SE PUEDE SOBRECARGAR Y SE PIERDE ROBUSTEZ ANTE SU POSIBLE FALLA.

GENERALMENTE LOS ALGORITMOS ÓPTIMOS CONSUMEN MÁS RECURSOS QUE LOS SUBÓPTIMOS, ADEMÁS, EN LA MAYORÍA DE LOS SISTEMAS REALES SE BUSCAN SOLUCIONES SUBÓPTIMAS, HEURÍSTICAS Y DISTRIBUIDAS.

CUANDO SE VA A CREAR UN PROCESO SE DEBE DECIDIR SI SE EJECUTARÁ EN LA MÁQUINA QUE LO GENERA O EN OTRA (POLÍTICA DE TRANSFERENCIA):

LA DECISIÓN SE PUEDE TOMAR “SOLO CON INFORMACIÓN LOCAL” O “CON INFORMACIÓN GLOBAL”.

LOS ALGORITMOS LOCALES SON SENCILLOS PERO NO ÓPTIMOS.

LOS ALGORITMOS GLOBALES SON MEJORES PERO CONSUMEN MUCHOS RECURSOS.

CUANDO UNA MÁQUINA SE DESHACE DE UN PROCESO LA POLÍTICA DE LOCALIZACIÓN DEBE DECIDIR DÓNDE ENVIARLO:

NECESITA INFORMACIÓN DE LA CARGA EN TODAS PARTES, OBTENIÉNDOLA DE:

UN EMISOR SOBRECARGADO QUE BUSCA UNA MÁQUINA INACTIVA.

UN RECEPTOR DESOCUPADO QUE BUSCA TRABAJO.

‘’‘ASPECTOS DE LA IMPLANTACIÓN DE ALGORITMOS DE ASIGNACIÓN DE PROCESADORES’‘’

CASI TODOS LOS ALGORITMOS SUPONEN QUE LAS MÁQUINAS CONOCEN SU PROPIA CARGA Y QUE PUEDEN INFORMAR SU ESTADO:

LA MEDICIÓN DE LA CARGA NO ES TAN SENCILLA.

UN MÉTODO CONSISTE EN CONTAR EL NÚMERO DE PROCESOS (HAY QUE CONSIDERAR LOS PROCESOS LATENTES NO ACTIVOS). OTRO MÉTODO CONSISTE EN CONTAR SOLO LOS PROCESOS EN EJECUCIÓN O LISTOS.

TAMBIÉN SE PUEDE MEDIR LA FRACCIÓN DE TIEMPO QUE LA CPU ESTÁ OCUPADA.

OTRO ASPECTO IMPORTANTE ES EL COSTO EXCESIVO EN CONSUMO DE RECURSOS PARA RECOLECTAR MEDIDAS Y DESPLAZAR PROCESOS, YA QUE SE DEBERÍA CONSIDERAR EL TIEMPO DE CPU, EL USO DE MEMORIA Y EL ANCHO DE BANDA DE LA RED UTILIZADA POR EL ALGORITMO PARA ASIGNACIÓN DE PROCESADORES.

SE DEBE CONSIDERAR LA COMPLEJIDAD DEL SOFTWARE EN CUESTIÓN Y SUS IMPLICANCIAS PARA EL DESEMPEÑO, LA CORRECTEZ Y LA ROBUSTEZ DEL SISTEMA.

SI EL USO DE UN ALGORITMO SENCILLO PROPORCIONA CASI LA MISMA GANANCIA QUE UNO MÁS CARO Y MÁS COMPLEJO, GENERALMENTE SERÁ MEJOR UTILIZAR EL MÁS SENCILLO.

SE DEBE OTORGAR GRAN IMPORTANCIA A LA ESTABILIDAD DEL SISTEMA:

LAS MÁQUINAS EJECUTAN SUS ALGORITMOS EN FORMA ASÍNCRONA POR LO QUE EL SISTEMA NUNCA SE EQUILIBRA.

LA MAYORÍA DE LOS ALGORITMOS QUE INTERCAMBIAN INFORMACIÓN:

SON CORRECTOS LUEGO DE INTERCAMBIAR LA INFORMACIÓN Y DE QUE TODO SE HA REGISTRADO.

SON POCO CONFIABLES MIENTRAS LAS TABLAS CONTINÚAN SU ACTUALIZACIÓN, ES DECIR QUE SE PRESENTAN SITUACIONES DE NO EQUILIBRIO.

MODELOS DE ASIGNACIÓN

GENERALMENTE SE UTILIZAN LAS SIGUIENTES HIPÓTESIS:

—TODAS LAS MÁQUINAS SON IDÉNTICAS (O AL MENOS COMPATIBLES EN EL CÓDIGO); DIFIEREN A LO SUMO EN LA VELOCIDAD.

—CADA PROCESADOR SE PUEDE COMUNICAR CON LOS DEMÁS.

LAS ESTRATEGIAS DE ASIGNACIÓN DE PROCESADORES SE DIVIDEN EN:

—NO MIGRATORIAS:

• UNA VEZ COLOCADO UN PROCESO EN UNA MÁQUINA PERMANECE AHÍ HASTA QUE TERMINA.

—MIGRATORIAS:

• UN PROCESO SE PUEDE TRASLADAR AUNQUE HAYA INICIADO SU EJECUCIÓN.
• PERMITEN UN MEJOR BALANCE DE LA CARGA PERO SON MÁS COMPLEJAS.

LOS ALGORITMOS DE ASIGNACIÓN INTENTAN OPTIMIZAR ALGO:

—USO DE LAS CPU:

• MAXIMIZAR EL NÚMERO DE CICLOS DE CPU QUE SE EJECUTAN PARA TRABAJOS DE LOS USUARIOS.
• MINIMIZAR EL TIEMPO DE INACTIVIDAD DE LAS CPU.

—TIEMPO PROMEDIO DE RESPUESTA:

• MINIMIZAR NO LOS TIEMPOS INDIVIDUALES DE RESPUESTA SINO LOS TIEMPOS PROMEDIO DE RESPUESTA.

—TASA DE RESPUESTA:

• MINIMIZAR LA TASA DE RESPUESTA, QUE ES EL TIEMPO NECESARIO PARA EJECUTAR UN PROCESO EN CIERTA MÁQUINA DIVIDIDO POR EL TIEMPO QUE TARDARÍA EN CIERTO PROCESADOR DE REFERENCIA.

3.5 COPLANIFICACION

 

EL CONCEPTO DE COPLANIFICACION:

—TOMA EN CUENTA LOS PATRONES DE COMUNICACION ENTRE LOS PROCESOS DURANTE LA PLANIFICACION.

—DEBE GARANTIZAR QUE TODOS LOS MIEMBROS DEL GRUPO SE EJECUTEN AL MISMO TIEMPO.

—SE EMPLEA UNA MATRIZ CONCEPTUAL DONDE:

• LAS FILAS SON ESPACIOS DE TIEMPO.
• LAS COLUMNAS SON LAS TABLAS DE PROCESOS DE LOS PROCESADORES.

—CADA PROCESADOR DEBE UTILIZAR UN ALGORITMO DE PLANIFICACION ROUND ROBIN:

• TODOS LOS PROCESADORES EJECUTAN EL PROCESO EN EL ESPACIO “0” DURANTE UN CIERTO PERIODO FIJO.
• TODOS LOS PROCESADORES EJECUTAN EL PROCESO EN EL ESPACIO “1” DURANTE UN CIERTO PERIODO FIJO, ETC.

—SE DEBEN MANTENER SINCRONIZADOS LOS INTERVALOS DE TIEMPO.

—TODOS LOS MIEMBROS DE UN GRUPO SE DEBEN COLOCAR EN EL MISMO N° DE ESPACIO DE TIEMPO PERO EN PROCESADORES DISTINTOS.

3.7 SISTEMAS DISTRIBUIDOS TIEMPO REAL

 

• LA CAPACIDAD DE PROCESAMIENTO ESTÁ DISTRIBUIDA ENTRE VARIOS COMPUTADORES INTERCONECTADOS.
• LAS ACTIVIDADES DEL SISTEMA TIENEN REQUISITOS DE TIEMPO.
• NECESIDAD DE SISTEMAS DISTRIBUIDOS:
• /REQUISITOS DE PROCESAMIENTO.
• /DISTRIBUCIÓN FÍSICA DEL SISTEMA.
• /FIABILIDAD: TOLERANCIA A FALLOS.
• LOS SISTEMAS DISTRIBUIDOS DE TIEMPO REAL (SDTR) SON COMPLICADOS DE REALIZAR.
• SE CONSIDERAN SISTEMAS DÉBILMENTE ACOPLADOS.
• COMUNICACIÓN MEDIANTE MENSAJES
• EL TIEMPO DE COMUNICACIÓN ES SIGNIFICATIVO.
• EJ. SISTEMAS MULTIMEDIA, SCADA, AVIÓNICA, FABRICACIÓN INTEGRADA, ROBÓTICA.
• DISTINTOS TIPOS DE REQUISITOS TEMPORALES
• SE CONSIDERAN, FUNDAMENTALMENTE, SISTEMAS CRÍTICO.