Sistemas Operativos - Manejador de procesos - Fundamentos

Esta es una serie de artículos introductorios acerca de lo que es el manejador de procesos de un sistema operativo, la idea es tener un concepto muy general de lo que hace esta parte de todo sistema operativo, sin embargo es un tema muy extenso y que puede llegar a ser bastante complejo, por lo cual cabe aclarar que por el momento solo trataremos los conceptos de manera muy superficial.


El manejador de procesos (también llamado planificador, scheduler, calendarizador etc.) es la parte fundamental de todo sistema operativo, de hecho se puede decir que para crear un sistema operativo básico basta con crear cuatro componentes fundamentales:

  • Planificador de procesos
  • Administrador de memoria
  • Manejador de E/S (como mínimo con controladores para video, teclado y disco)
  • Sistema de archivos

El manejador de procesos es el encargado, de permitir le ejecución de los diferentes procesos en una o varias CPU. A simple vista esta tarea es sencilla, pero esta lejos de serlo.

El procesador es un dispositivo que ejecuta un conjunto de instrucciones y devuelve un resultado, así que desde el punto de vista del procesador el concepto de proceso no existe más allá de ejecutar una instrucción en cada ciclo de procesamiento; es el sistema operativo quien determina que es un proceso en si: un conjunto de instrucciones agrupadas con un(os) objetivo(s) especifico(s).

Cuando estamos utilizando un sistema operativo como Windows siempre tenemos la percepción de que hay múltiples programas ejecutándose al mismo tiempo, podemos ver varias ventanas abiertas mientras escuchamos música, navegamos por internet y diligenciamos una hoja de cálculo de excel, pero esto no es más que una ilusión.

Para simplificar un poco el trabajo examinaremos la situación cuando solo hay presente un procesador de un único núcleo.

Funcionamiento básico de una CPU

La CPU, solo puede ejecutar una instrucción a la vez, pero como es esto?

Digamos que queremos sumar los valores 2+3 utilizando la CPU, la CPU tiene una especie de ‘ranuras’ llamadas registros algunas de estas ranuras reciben los nombres de Ax, Bx, Cx (hay varias más) y son utilizados por la CPU como fuente de entrada y salida de información.

Lo que se hace entonces para la suma es colocar los valores a sumar en los registros, esto es un mini ejemplo en lenguaje ensamblador:

mov AX, 2 ;poner el número 2 en el registro AX  
add AX, 3 ;sumar al contenido de AX el valor 3, la respuesta queda en AX  

los comentarios en asm se inician con ;

veamos estos dos pasos en el siguiente gráfico (lo he expandido a 4 pasos para mayor claridad)
ejecución de una suma en la CPU

Cualquier instrucción ejecutada por la CPU funciona de manera similar, utilizando los registros como ranuras de intercambio de datos.

Qué pasa cuando es más de una instrucción?

El procesador posee otro registro que es un apuntador que le permite saber en que instrucción del programa se encuentra de tal manera que cada vez que ejecuta una instrucción el mueve al apuntador a la siguiente instrucción a ser ejecutada.

Cómo se ejecutan varios procesos?

De acuerdo al tema tratado anteriormente pudimos ver que una CPU solo puede ejecutar una instrucción a la vez, y como es de suponerse dicha instrucción pertenece a un proceso determinado.

Hay varias maneras de llevar a cabo la ejecución de procesos.

Sistemas Operativos Monotarea

La CPU por si sola no puede iniciar la ejecución de otro proceso, es el sistema operativo es quien le dice a la CPU cuando comenzar a ejecutar un conjunto de instrucciones determinado, sin embargo la CPU ejecutaría todas las instrucciones de un proceso hasta finalizar y solo en ese momento continuaría la ejecución del sistema operativo (otro proceso).

Luego el OS (sistema operativo) seleccionaría el siguiente proceso a ejecutar suspendiéndose a si mismo hasta que el proceso finalice, despues nuevamente volvería a seleccionar un nuevo proceso y así sucesivamente hasta que no hubiesen procesos por ejecutar.

Cómo es que se vuelve a ejecutar el sistema operativo cuando acaba de terminar un proceso?

El truco es sencillo, devolvámonos a algunos sistemas mono tarea tipo DOS en sus primeras versiones, si hacíamos un programa en C este al final del main siempre tenia la instrucción return, pues bien el compilador al compilar código convertía esa expresión return en instrucciones de maquina que hacían que la siguiente instrucción a ejecutar fuera…

una instrucción del sistema operativo, la cual está en otra porción de memoría, así que básicamente todo programa hecho finaliza con una instrucción para devolver el control al sistema operativo.

Este tipo de comportamiento es el habitual en sistemas operativos mono-proceso , es decir que solo pueden ejecutar un proceso a la vez de tal forma que todos los procesos deben esperar su turno en una larga fila de procesos pendientes: esto también es conocido como: planificación por lotes (batch).

Lista de procesos de un OS

Si Windows funcionara de esta manera no podríamos hacer nada con el pues no podríamos tener sino un programa a la vez y esto excluye de manera inevitable los propios servicios que el sistema operativo corre en segundo plano, incluso si mandaras un trabajo de impresión no podrías hacer absolutamente nada más hasta que el trabajo de impresión finalice.

Esto esta muy lejos de ser el comportamiento que estamos habituados a ver, es decir un sistema con decenas de procesos ejecutándose 'al tiempo', entonces como funciona esto? bueno todo se resuelve con un truco que realiza el sistema operativo.

Sistemas Operativos Multitarea

Como su nombre lo indica 'multitarea' se refiere a que puede realizar varias tareas a la vez, al menos eso es lo que parece.

Lo que sucede es que el sistema operativo esta hecho para no permitir a un programa ejecutarse sino por una fracción de tiempo muy pequeña, de tal forma que en un solo segundo muchos programas han tenido tiempo de procesamiento, es decir muchos programas se han ejecutado en lapsos diminutos de tiempo.

El concepto es sencillo, implementarlo suele ser más complicado pues hay muchos más aspectos involucrados, estudiaremos algunos.

1 Interrupción de la Ejecución de un Proceso

Al ejecutarse un proceso en un sistema multitarea, este tiene la oportunidad de realizar un conjunto indeterminado de instrucciones, lo que alcance a hacer en un tiempo limitado, una vez ese tiempo se ha cumplido el sistema operativo debe decidir que proceso debe continuar su ejecución, esto lo hace teniendo en cuenta una lista de procesos y unas listas por prioridades de procesos, donde algunos procesos tienen más tiempo de ejecución que otros y tienen una prioridad mayor que les permite 'avanzar más rápido en la fila'. Usualmente estos procesos con prioridades más altas hacen parte del propio sistema o son los servicios.

El sistema operativo sabe que se ha cumplido el tiempo de ejecución de un proceso cuando recibe una señal de interrupción por parte del procesador, esta señal se activa solo cada determinado tiempo (este lapso de tiempo es llamado Quantum), básicamente existe un microprograma que en ese momento le permite al procesador suspender la ejecución y enviar el control (es decir ejecutar) al sistema operativo para que lleve a cabo la planificación necesaria.

Esta rutina(microprograma) se ejecuta como parte de la lógica propia del procesador, el OS tiena la facultad de cambiar algunas cosas como por ejemplo el tiempo entre una y otra interrupción.

Sin embargo hay otros mecanismos que pueden generar interrupciones como por ejemplo:

  • Una Señal enviada desde un dispositivo de hardware
  • Un proceso puede optar por suspenderse a si mismo

Hay muchas situaciones donde las dos condiciones anteriores puede ocurrir, este es un ejemplo típico:

  • El proceso P1 se encuentra en ejecución
  • En un momento determinado espera respuesta desde un dispositivo de E/S(por ejemplo una tarjeta de red)
  • P1 no sabe en que momento se recibirá dicha respuesta
  • P1 se encuentra en espera y suspende su propia ejecución (haciendo llamado al OS)
  • Ahora el sistema operativo coloca al proceso P2 en ejecución
  • P2 comienza a ejecutarse durante su Quantum
  • P2 termina su tiempo de ejecución
  • Siguen en ejecución otros procesos P3…Pn.

Pero pongámoslo más interesante.

  • En un momento determinado el proceso P5 se encontraba en ejecución
  • El dispositivo de red (hardware independiente) envió la respuesta que estaba esperando P1
  • Esta respuesta viaja por el hardware generando una nueva interrupción en el procesador
  • El procesador devuelve el control otra vez al sistema operativo suspendiendo inmediatamente el proceso en ejecución
  • El sistema operativo, una de sus rutinas, revisa los buffer de los dispositivos de entrada
  • Encuentra la respuesta que según sus datos esperaba P1
  • El OS Activa inmediatamente P1 para que este continúe con su ejecución por un nuevo Quantum de tiempo

Tenemos entonces tres maneras que permiten que un proceso suspenda su ejecución para que otros se ejecuten:

  • Interrupción por el reloj del procesador (Quantum de tiempo)
  • Interrupción por dispositivos de E/S
  • Auto suspensión del proceso o finalización del proceso.

2 Estado de la Ejecución de un Proceso

Ya hemos visto como es que el sistema operativo alterna entre varios procesos para dar la impresión de que esta haciendo varias cosas a la vez, pero puede que alguno de ustedes ya le haya surgido la pregunta

¿Cómo sabe el sistema en que iba mi proceso justo antes de suspenderlo?

Veamos el caso anterior (el de 2 +3) en un entorno multitarea:
suma en una CPU, sistema multitarea 1

En la gráfica vemos al proceso P1 justo terminando de finalizar su primera instrucción, así que como respuesta a esta instrucción el procesador dejó el valor 2 en el registro AX, luego vienen los demás procesos cada uno utilizando los registros según sus necesidades como se ve en la gráfica:

suma en una CPU, sistema multitarea 2

hasta que por alguna razón le vuelve a tocar el turno de ejecución al proceso P1 y ooops!!!

Cuando P1 estaba ejecutandose estaba esperando que en AX estuviera el valor 2 para que así su suma sea 2+3, pero ahora ya el proceso P1 no tendría en los registros los mismos valores que tenia justo antes de suspenderse!!!

Por otro lado el sistema operativo también necesita saber en que instrucción estaba la ejecución de P1 para continuar justo donde estaba antes de suspender su ejecución, y algunos otros datos más, entonces como hace para que todo pueda continuar normal?

Como lo dije anteriormente cuando un proceso se suspende básicamente se devuelve la ejecución al sistema operativo, allí el sistema lleva a acabo la planificación de procesos y otras tareas, pero que hace realmente?

El sistema lo primero que hace es guardar el estado del proceso en algún sitio, el estado del proceso es una estructura en memoria que guarda:

  • Los valores de TODOS los registros
  • Los valores de las banderas del procesador (las banderas son un registro utilizado por el procesador para indicar situaciones como división por cero, overflow, signo negativo etc.)
  • Esto incluye el registro IP(Instruction Pointer) que contiene un apuntador que indica al procesador en que instrucción de código va la ejecución, y los registros Ax, Bx, Cx, etc.

Una vez ese dato queda guardado el sistema:

  • Verifica cual es el siguiente proceso que debe tener un Quantum de ejecución, digamos el proceso P2
  • Lee el estado del proceso P2 y comienza a dejar las cosas en su lugar, es decir lee los valores que deberían tener cada uno de los registros , las banderas,etc. y establece esos valores en el procesador
  • Una vez todos los valores están establecidos los últimos valores que establece el sistema otroe registros y el registro IP
  • Inicia la ejecución de P2 hasta que sea interrumpido y se continúe con la labor de planificación una y otra vez.

Si desean más información acerca de los registros los invito a consultar este Tutorial de Assembler.

Esto es todo por el momento, los más conocedores me perdonaran por todas las cosas que he podido pasar por alto pero recuerden que esto es solo un post introductorio y no pretendo detallar las cosas más allá de los conocimientos generales, de igual forma cualquier duda o corrección que tengan es bienvenida.

Espero sus comentarios y no duden en compartirlo ;)

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