Apunte Interactivo: Sistemas Operativos

Módulo 1: Procesos, Estados e Hilos

El concepto más importante en cualquier sistema operativo es el de proceso, una abstracción de un programa en ejecución[cite: 15]. En un sistema multiprogramado, la CPU conmuta de un proceso a otro con rapidez, dando la apariencia de pseudoparalelismo[cite: 20]. Un proceso puede estar en tres estados: En ejecución, Listo o Bloqueado[cite: 162, 163, 164, 165]. Además, el modelo se expande con los hilos, permitiendo varios hilos de control en el mismo espacio de direcciones[cite: 255].

1. ¿Qué evento desencadena estrictamente la transición de un proceso del estado "En ejecución" al estado "Listo"?

El proceso necesita leer datos de un archivo o entrada del usuario. El planificador decide que el proceso se ha ejecutado el tiempo suficiente y es momento de dejar que otro proceso use la CPU. Ocurre un error fatal de hardware o una división por cero.

Respuesta correcta: La transición de "En ejecución" a "Listo" (Transición 2) ocurre cuando el planificador decide que el proceso en ejecución se ha ejecutado el tiempo suficiente y es momento de dejar que otro proceso tenga una parte del tiempo de la CPU[cite: 216]. Si esperara una entrada, pasaría al estado "Bloqueado" (Transición 1)[cite: 157, 214].

2. En cuanto al rendimiento, ¿cuál es la principal diferencia entre conmutar hilos a nivel usuario frente a hilos a nivel kernel?

Los hilos a nivel usuario requieren una conmutación de contexto total, haciéndolos más lentos que los de kernel. Los hilos a nivel kernel son más rápidos porque el sistema operativo no necesita invalidar la memoria caché. Con hilos a nivel kernel se requiere una conmutación de contexto total, cambiar el mapa de memoria e invalidar la caché, lo cual es varias órdenes de magnitud más lento.

Respuesta correcta: Para realizar una conmutación de hilos con hilos a nivel usuario se requiere de muchas instrucciones de máquina, pero con hilos a nivel kernel se requiere una conmutación de contexto total, cambiar el mapa de memoria e invalidar la caché, lo cual es varias órdenes de magnitud más lento[cite: 557, 558].

Módulo 2: Planificación de Procesos

El planificador de procesos decide qué proceso ejecutar cuando hay múltiples procesos listos[cite: 300, 301, 302]. El comportamiento de los procesos es clave: alternan ráfagas de CPU con esperas de E/S[cite: 340]. Los algoritmos pueden ser no apropiativos (el proceso no es suspendido forzosamente por reloj) o apropiativos (el proceso tiene un tiempo máximo fijo)[cite: 365, 366, 370].

3. ¿Qué factor fundamental distingue a un proceso "limitado a E/S" (I/O-bound) de uno "limitado a cálculos"?

Las peticiones de E/S son individualmente mucho más largas y complejas de procesar. Tienen ráfagas de CPU cortas y, por ende, esperas frecuentes por la E/S. Ejecutan exclusivamente código del kernel en modo privilegiado.

Respuesta correcta: Los procesos limitados a cálculos tienen ráfagas de CPU largas y esperas infrecuentes por la E/S, mientras que los procesos limitados a E/S tienen ráfagas de CPU cortas y por ende, esperas frecuentes por la E/S[cite: 354]. El factor clave es la longitud de la ráfaga de CPU, no de la ráfaga de E/S[cite: 355].

4. El algoritmo de "Turno Circular" (Round-Robin) es ampliamente usado en sistemas interactivos. ¿Cómo gestiona el tiempo de la CPU?

Asigna a cada proceso un intervalo de tiempo (quántum), y si el proceso sigue en ejecución al finalizar, la CPU es apropiada para dársela a otro proceso. Ejecuta el proceso más corto primero hasta que finaliza voluntariamente o se bloquea. Reparte boletos de lotería al azar para decidir quién usa la CPU en el siguiente ciclo.

Respuesta correcta: A cada proceso se le asigna un intervalo de tiempo, conocido como quántum, durante el cual se le permite ejecutarse[cite: 450]. Si el proceso se sigue ejecutando al final del cuanto, la CPU es apropiada para dársela a otro proceso[cite: 451].

Módulo 3: Concurrencia, Exclusión Mutua y Sincronización

La concurrencia trae desafíos como las condiciones de carrera, donde el resultado final depende del orden de ejecución [cite: 616], y el interbloqueo (deadlock)[cite: 612]. Para evitar esto, se usan herramientas de exclusión mutua, garantizando que solo un proceso entre a su sección crítica a la vez[cite: 611, 614]. Mecanismos incluyen semáforos, monitores y paso de mensajes[cite: 838, 882, 904].

5. ¿Cuál es la principal desventaja de usar instrucciones máquina especiales (como Test and Set) para lograr exclusión mutua?

No funcionan en arquitecturas multiprocesador de memoria compartida. Emplean espera activa, consumiendo tiempo de procesador mientras el proceso espera, y posibilitan la inanición y el interbloqueo. Requieren que el programador defina estrictamente los turnos de ejecución en el código fuente.

Respuesta correcta: Entre las desventajas están: se emplea espera activa (continúa consumiendo tiempo de procesador) [cite: 828], es posible la inanición (a algún proceso podría denegársele indefinidamente el acceso) [cite: 829, 830] y es posible el interbloqueo[cite: 831].

6. ¿Qué diferencia fundamental hace que los Monitores sean frecuentemente preferidos por sobre los Semáforos en la programación concurrente?

Los monitores son construcciones del lenguaje que hacen más fácil el control, garantizando exclusión mutua implícitamente al permitir que solo un proceso ejecute dentro a la vez. Los monitores no sufren de interbloqueo bajo ninguna circunstancia, a diferencia de los semáforos fuertes. Los monitores utilizan buzones y paso de mensajes a través de red en sistemas distribuidos.

Respuesta correcta: El monitor es una construcción del lenguaje de programación que proporciona una funcionalidad equivalente a la de los semáforos pero es más fácil de controlar[cite: 882]. Al cumplir la disciplina de sólo un proceso al mismo tiempo, el monitor es capaz de proporcionar exclusión mutua fácilmente[cite: 896]. Con los semáforos, las operaciones pueden estar dispersas a través de un programa y resulta difícil ver su efecto global[cite: 880].

7. En un sistema de paso de mensajes utilizando "direccionamiento indirecto", ¿cómo se envían los mensajes?

La primitiva 'send' incluye un identificador específico del proceso destinatario. Los mensajes son enviados a una estructura de datos compartida que consiste en colas, conocidas como buzones. Se utilizan variables globales compartidas (como variables de condición) protegidas por un semáforo mutex.

Respuesta correcta: Con el direccionamiento indirecto, los mensajes no se envían directamente por un emisor a un receptor sino que son enviados a una estructura de datos compartida que consiste en colas que pueden contener mensajes temporalmente[cite: 961]. Tales colas se conocen generalmente como buzones (mailboxes)[cite: 962].