Sistema de archivos

(Concepto)

Los sistemas de archivos o ficheros (en inglés:filesystem), estructuran la información guardada en una unidad de almacenamiento(normalmente un disco duro de una computadora), que luego será representada ya sea textual o gráficamente utilizando un gestor de archivos. La mayoría de los sistemas operativos manejan su propio sistema de archivos.1

Lo habitual es utilizar dispositivos de almacenamiento de datos que permiten el acceso a los datos como una cadena de bloques de un mismo tamaño, a veces llamados sectores, usualmente de 512 bytes de longitud (También denominados clústers). El software del sistema de archivos es responsable de la organización de estos sectores en archivos y directorios y mantiene un registro de qué sectores pertenecen a qué archivos y cuáles no han sido utilizados. En la práctica, un sistema de archivos también puede ser utilizado para acceder a datos generados dinámicamente, como los recibidos a través de una conexión de red (sin la intervención de un dispositivo de almacenamiento).

Los sistemas de archivos tradicionales proveen métodos para crear, mover, renombrar y eliminar tanto archivos como directorios, pero carecen de métodos para crear, por ejemplo, enlaces adicionales a un directorio o archivo (enlace duro en Unix) o renombrar enlaces padres (".." en Unix).

El acceso seguro a sistemas de archivos básicos puede estar basado en los esquemas de lista de control de acceso o capacidades. Las listas de control de acceso hace décadas que demostraron ser inseguras, por lo que los sistemas operativos experimentales utilizan el acceso por capacidades. Los sistemas operativos comerciales aún funcionan con listas de control de acceso.

5.2 Archivos reales y virtuales 

Archivo Virtual y Archivo Real

Un archivo virtual (Fig.5.2.1), es un archivo de uso temporal que es utilizado por los procesos del sistema mientras se están ejecutando dichos procesos. Estos archivos se crean durante la ejecución de un sistema y los utiliza para el almacenamiento de información, intercambio y organización mientras se ejecuta el sistema (Fig. 5.2.2), su tamaño es muy variable y terminan al detener la ejecución del sistema, muchos de ellos son borrados, por ejemplo, los archivos *.tmp (Fig. 5.2.3) .

Se le conoce como archivo virtual, aquel que contiene los datos generados por el usuario.

Tipos De Procesos De Planificacion Usan Las Maquinas

Al respecto, este último autor afirma que, el proceso de planificación y control de la producción debe seguir un enfoque jerárquico, en el que se logre una integración vertical entre los objetivos estratégicos, tácticos y operativos y además se establezca su relación horizontal con las otras áreas funcionales de la compañía.

Básicamente las cinco fases que componen el proceso de planificación y control de la producción son [Domínguez Machuca 1995]:

1. Planificación estratégica o a largo plazo. 
2. Planificación agregada o a medio plazo. 
3. Programación maestra. 
4. Programación de componentes. 
5. Ejecución y control.

Necesidad de la planificación

En épocas pasadas de los sistemas de procesamiento por lotes (batch), la idea que existía sobre la planificación era bastante simple y consistía en aplicar un algoritmo secuencial. Esto producía un desaprovechamiento muy importante de las capacidades del procesador ya que la ejecución de un proceso alternaba entre dos estados de ejecución: utilizando la CPU o esperando a que se realice una operación de E/S, por lo que mientras se trabajaba con un dispositivo, el procesador se encontraba inactivo.

Más tarde, surgieron los sistemas multiprogramados, en donde se intentó maximizar la utilización de la CPU. Esto se pudo conseguir manteniendo varios procesos en la memoria, y cuando un proceso tenía que esperar, el sistema operativo le quitaba la CPU y se lo asignaba a otro proceso que se encontraba en dicha memoria. Por lo tanto, la tarea de la planificación cobró gran importancia por su incidencia directa sobre el rendimiento del sistema, ya que el sistema operativo debía decidir qué proceso esperaría y qué proceso continuaría.

Definición

Podemos definir a la planificación como un conjunto de políticas y mecanismos incorporados al sistema operativo, a través de un módulo denominado planificador, que debe decidir cuál de los procesos en condiciones de ser ejecutado conviene ser despachado primero y qué orden de ejecución debe seguirse. Esto debe realizarse sin perder de vista su principal objetivo que consiste en el máximo aprovechamiento del sistema, lo que implica proveer un buen servicio a los procesos existentes en un momento dado. Un "buen" servicio podría traducirse en tiempo de respuesta aceptable, productividad y eficiencia del procesador.

Niveles de planificación

La planificación se hace en cuatro instantes de tiempo. De estas cuatro, una no la realiza el sistema operativo, sino que es externa al procesamiento, pero tiene una influencia enorme sobre la definición del procesamiento, dado que el sistema operativo queda determinado por las decisiones que se toman en este nivel. A esta instancia le daremos el nombre de "extra largo plazo" por ser en la escala de tiempo del ser humano.

En la administración del procesador podemos distinguir tres niveles de planificación de acuerdo a la escala de tiempo en que se realiza la misma. El largo plazo en segundos, mediano plazo en milisegundos y el corto plazo en nanosegundos o microsegundos.

Planificación a extra largo plazo

Consiste en una planificación externa que se hace en el centro de cómputos y está estrechamente ligada a las políticas de funcionamiento del sistema, ya que se determina la importancia relativa de los usuarios. A través de procedimientos escritos se fijan las reglas que se aplicarán a los usuarios relativos al uso, seguridad, accesos, prioridades, etc, así como también las reglas en cuanto a modalidad de procesamiento, la operación, la política de backup, etc.

Esta planificación busca satisfacer cuatro objetivos desde el punto de vista de los usuarios:

1.       Mayor velocidad de respuesta en sus trabajos con lo que disminuye el tiempo de espera de los usuarios.

2.       Existencia y disponibilidad de recursos que necesitan para ejecutar sus trabajos.

3.       Importancia de sus tareas.

4.       Seguridad de que sus trabajos sean completados correctamente.

Por lo tanto, es responsabilidad del profesional de sistemas brindar un adecuado servicio de procesamiento de datos como también ocuparse del orgware y del peopleware para que todo funcione dentro de lo establecido.

Planificación a largo plazo

El planificador a largo plazo, scheduler o planificador de trabajos, es un administrador que se encarga de organizar la ejecución con un adecuado planeamiento de recursos para que el trabajo se ejecute ordenadamente y eficientemente según la modalidad de procesamiento.

El sheduler se ejecuta con poca frecuencia, sólo cuando se necesita crear un nuevo proceso en el sistema, cuando termina un proceso, o ingresa un usuario en el sistema, por lo que tiene prioridad máxima para ejecutar. Es el responsable de controlar el nivel de multiprogramación del sistema y el balance de carga del sistema. Esto último implica la selección cuidadosa de trabajos para mantener un adecuado balance de carga de procesos que hacen uso de E/S intensivo (I/O bound) o uso de CPU intensivo (CPU bound).

Procedamos a describir un poco su accionar ante un nuevo trabajo. Un software del sistema operativo, llamado monitor, recibe al nuevo trabajo y lo carga en la memoria central. Después de haber sido recibido el trabajo, el sheduler se encarga de preparar y crear procesos con sus respectivos bloques de control del proceso (PCB) para poder ejecutarlos. Si los recursos que solicita estuvieran disponibles, se le asignan y se lo ingresa a la cola de listos para ejecutar.

Existen diferentes filosofías en el procesamiento de un trabajo. Todas ellas responden a ciertos criterios de planificación que se vuelcan en los respectivos algoritmos de planificación. Esto se conoce como la modalidad de ejecución o procesamiento. Los más importantes son:

·         Batch: Apunta estrictamente al exhaustivo uso del procesador en detrimento del usuario. Sus principales caracterísiticas son:

1.       La CPU es monoprogramada.

2.       No existe diferencia entre trabajo y proceso.

3.       El scheduler elige el trabajo, crea el proceso y lo ejecuta.

4.       Prácticamente hay un solo nivel de planificación.

·         Interactivo: Apunta al servicio del usuario en detrimento de la performance del procesador. Es multiprogramado pues se multiplexa la CPU entre varios programas.

·         Multiprocesado: Es un ambiente en el que existen varios procesadores para servir a los procesos en ejecución.

·         Procesamiento distribuido o en red: Es una forma de procesamiento en que se le presenta al usuario una máquina virtual y en que el procesamiento se realiza en distintas máquinas diseminadas geográficamente y conectadas por una red.

En conclusión y siendo un poco más precisos, podríamos decir que las tareas que involucra este nivel de planificación son:

·         Mantener un registro de estado de todos los trabajos en el sistema (JBC).

·         Establecer una estrategia para el pasaje entre las colas de suspendidos y la de listos.

·         Asignar recursos (memoria central, dispositivos, procesadores, etc.) a cada trabajo.

·         Pedir (recuperar) los recursos cuando los trabajos se han completado.

·         Detectar y prevenir los conflictos de abrazo mortal o deadlock.

·         Dar entrada a nuevos trabajos.

·         Asignar prioridades a los procesos. Esto genera el orden de ejecución y viene determinado básicamente por el orden de procesos en la cola de listos, o sea, el orden en el que el dispatcher los seleccionará de esta cola para ponerlos en ejecución (generalmente el primero de la cola).

·         Implementar las políticas de asignación de recursos, razón por la que se le otorga la máxima prioridad en el sistema para que el dispatcher lo seleccione primero si está libre el procesador y se ejecuta cuando:

1.       Se pide o libera un recurso.

2.       Cuando termina un proceso.

3.       Cuando llega un nuevo trabajo al pool de procesos (lo ubica en la ready queue)

4.       Cuando llega un nuevo usuario al sistema.

Planificación a mediano plazo

Es el que decide sacar de memoria central y llevar a disco (swap-out) a aquellos procesos inactivos o a los activos cuyos estados sean bloqueado momentáneamente o temporalmente o los suspendidos y luego, cuando desaparezcan las causas de sus bloqueos, traerlos nuevamente a memoria (swap-in) para continuar su ejecución. Este tipo de planificador se encuentra solo en algunos sistemas especialmente en los de tiempo compartido, ya que permite mantener un equilibrio entre los procesos activos e inactivos.

Este planificador puede ser invocado cuando quede espacio libre de memoria por efecto de la terminación de un proceso o cuando el suministro de procesos caiga por debajo de un límite especificado.

En algunos casos suplanta al planificador de largo plazo y otros lo complementa: Por ejemplo en sistemas de tiempo compartido, el long-term scheduler puede admitir más usuarios de los que pueden caber realmente en memoria. Sin embargo, como los trabajos de estos sistemas están caracterizados por ciclos de actividad y ciclos de ociosidad, mientras el usuario piensa algunos procesos pueden ser almacenados y al recibir respuesta vueltos a poner en la cola de listos.

Este tipo de planificación solo es usado en sistemas con mucha carga de procesos, ya que el procedimiento de swapping produce mucho overhead, haciendo bajar considerablemente el desempeño general.

Planificación a corto plazo

También llamado short-term scheduler o low scheduler, es el responsable de decidir quién, cuándo, cómo y por cuánto tiempo recibe el procesador un proceso que está preparado (ready queue) para ejecutar (los recursos a esta altura ya deben estar todos disponibles para este trabajo). Además en sistemas operativos con esquemas expropiativos (se quita el recurso procesador al proceso) verifica las interrupciones.

El planificador a corto plazo es invocado cada vez que un suceso (interno o externo) hace que se modifique el estado global del sistema. Por ejemplo:

·         Tics de reloj (interrupciones basadas en el tiempo).

·         Interrupciones y terminaciones de E/S.

·         La mayoría de las llamadas operacionales al sistema operativo (en oposición a las llamadas de consulta).

·         El envío y recepción de señales.

·         La activación de programas interactivos.

El low scheduler debe ser rápido y con poca carga para el procesador para que se mantenga el rendimiento, ya que se le debe sumar además el tiempo que toma el cambio de contexto. El cambio de contexto o context switch consiste en la conmutación de la CPU entre un proceso y otro y es overhead puro, por lo tanto debe ser lo más rápido posible. Algunos valores típicos oscilan entre 1 y 100 m seg que se conoce como dispatch latency.

El context switch involucra:

·         Preservar el estado del viejo proceso (guardar en el stack su PCB).

·         Recuperar el estado del nuevo proceso (recuperar su PCB).

·         Bifurcar a la dirección donde había sido suspendido el nuevo proceso.

·         El proceso nulo o vacío

·         Un problema que debe resolver un sistema operativo multitarea es, qué debería hacer el sistema cuando no hay nada que ejecutar. Por ejemplo cuando la cola de listos se encuentra vacía.

·         Este problema es resuelto en muchos sistemas operativos con el proceso NULO que es creado por el sistema en el momento de arranque. El proceso nulo nunca termina, no tiene E/S y tiene la prioridad más baja en el sistema. En consecuencia la cola de listos nunca está vacía, además la ejecución del planificador puede hacerse más rápida al eliminar la necesidad de comprobar si la cola de listos está vacía o no. Algunas de las tareas que se le pueden dar al proceso nulo, por ejemplo, es realizar estadísticas de uso de procesador, o asistencia de vigilancia de la integridad del sistema, etc.

2.1 Concepto De Proceso

Proceso:

Un proceso no es más que un conjunto de threads(hilos) que ejecutan el mismo código, junto con las zonas de memoria asociadas a ellos y los ficheros que tienen abiertos.

Un programa consta, al menos, de un proceso, y de un thread. Cuando un programa tiene varios procesos, lo normal es que cada uno ejecute un código distinto, los cuales se encuentran en ficheros ejecutables separados. Dos procesos solo pueden compartir una zona de memoria si esta es definida expresamente como tal. Así mismo, es en este caso cuando los sistemas de sincronización a la hora de compartir memoria (de los que hablaremos más adelante) se vuelven especialmente necesarios e importantes.

2.2 Estados Y Transiciones De Los Procesos

Los sistemas operativos multiprogramados necesitan del concepto de proceso. El sistema operativo debe entremezclar la ejecución de un número de procesos para maximizar la utilización de los recursos del ordenador. Al mismo tiempo, los sistemas de tiempo compartido deben proporcionar un tiempo de respuesta razonable. El sistema operativo debe asignar recursos a los procesos de acuerdo a una política específica (ciertas funciones o aplicaciones son de mayor prioridad), mientras impide los interbloqueos. Por último, el sistema operativo debe ofrecer un soporte para llevar a cabo la comunicación entre procesos.

El concepto de proceso es clave en los sistemas operativos modernos. La gestión del procesador mediante multiprogramación, revolucionó la concepción de los sistemas operativos, e introdujo el término proceso como elemento necesario para realizar dicha gestión. Por lo demás, este tema trata sobre la definición de proceso, el estudio de sus propiedades, y la gestión que realiza el sistema operativo para crear la abstracción de proceso, aunque esto último se completará en el tema de planificación. Por último, descubriremos que el concepto de proceso encierra, en realidad, dos características potencialmente independientes: por un lado, es una unidad a la que se le asigna y posee recursos y, por otro, es una unidad planificable. Basándonos en esta distinción emprenderemos el estudio de los threads (hebra o hilo), o también llamados procesos ligeros.

¿ Qué es un proceso ? 

Hasta ahora hemos utilizado siempre el término programa. A partir de ahora distinguiremos entre programa y proceso. Un programa es una secuencia de instrucciones escrita en un lenguaje dado. Un proceso es una instancia de ejecución de un programa, caracterizado por su contador de programa, su palabra de estado, sus registros del procesador, su segmento de texto, pila y datos, etc. Un programa es un concepto estático, mientras que un proceso es un concepto dinámico. Es posible que un programa sea ejecutado por varios usuarios en un sistema multiusuario, por cada una de estas ejecuciones existirá un proceso, con su contador de programa, registros, etc. El sistema operativo necesita el concepto de proceso para poder gestionar el procesador mediante la técnica de multiprogramación o de tiempo compartido, de hecho, el proceso es la unidad planificable, o de asignación de la CPU.

Estados de un proceso y Transiciones:

Durante su vida, un proceso puede pasar por una serie de estados discretos, algunos de ellos son:

• En ejecución: El proceso ocupa la CPU actualmente, es decir, se está ejecutando.
• Listo o preparado: El proceso dispone de todos los recursos para su ejecución, sólo le falta la CPU.
•  Bloqueado: Al proceso le falta algún recurso para poder seguir ejecutándose, además de la CPU. Por recurso se pueden entender un dispositivo, un dato, etc. El proceso necesita que ocurra algún evento que le permita poder proseguir su ejecución.

Hay otros estados de los procesos, pero en la presente exposición se tratarán estos tres. Por sencillez, se considera un sistema con una sola CPU, aunque no es difícil la extensión a múltiples procesadores. Solamente puede haber un proceso en ejecución a la vez, pero pueden existir varios listos y varios pueden estar bloqueados. Así pues, se forman una lista de procesos listos y otra de procesos bloqueados. La lista de procesos listos se ordena por prioridad, de manera que el siguiente proceso que reciba la CPU será el primero de la lista. La lista de procesos bloqueados normalmente no está ordenada; los procesos no se desbloquean (es decir, no pasan a ser procesos listos) en orden de prioridad, sino que lo hacen en el orden de ocurrencia de los eventos que están esperando. Como se verá más adelante, hay situaciones en las cuales varios procesos pueden bloquearse esperando la ocurrencia del mismo evento; en tales casos es común asignar prioridades a los procesos que esperan.

Transiciones de estado de los procesos

A continuación se dan ejemplos de eventos que pueden provocar transiciones de estado en un proceso en este modelo de tres estados (ver figura 2.1). La mayoría de estos eventos se discutirán con profundidad a lo largo del curso:

•  De ejecución á Bloqueado: al iniciar una operación de E/S, al realizar una operación WAIT sobre un semáforo a cero (en el tema de procesos concurrentes se estudiarán los semáforos).
• De ejecución á Listo: por ejemplo, en un sistema de tiempo compartido, cuando el proceso que ocupa la CPU lleva demasiado tiempo ejecutándose continuamente (agota su cuanto) el sistema operativo decide que otro proceso ocupe la CPU, pasando el proceso que ocupaba la CPU a estado listo.
• De Listo á en ejecución: cuando lo requiere el planificador de la CPU (veremos el planificador de la CPU en el tema de planificación de procesos).
• De Bloqueado á Listo: se dispone del recurso por el que se había bloqueado el proceso. Por ejemplo, termina la operación de E/S, o se produce una operación SIGNAL sobre el semáforo en que se bloqueó el proceso, no habiendo otros procesos bloqueados en el semáforo.

Obsérvese que de las cuatro transiciones de estado posibles, la única iniciada por el proceso de usuario es el bloqueo, las otras tres son iniciadas por entidades externas al proceso.