Comunicación entre procesos (IPC)

Con frecuencia, los procesos necesitan comunicarse entre sí. Por ejemplo, un programa en la shell puede utilizar la salida de otro como entrada. Esto se denomina IPC (Inter-Process Communication).

La comunicación entre procesos aborda tres aspectos fundamentales:

• Cómo puede un proceso pasar información a otro.
• Impedir que los procesos se estorben al realizar actividades importantes.
• El ordenamiento correcto cuando se producen dependencias.

En algunos sistemas operativos, dos o más procesos que colaboran comparten un área de almacenamiento donde ambos pueden leer y escribir, como ocurre en el spooler de impresión.

Condiciones de competencia

Generalmente, las soluciones para este tipo de problemas son complejas, presentando comportamientos inusuales e inexplicables.

Regiones críticas

Es una forma de evitar que dos o más procesos escriban en una misma región de memoria compartida al mismo tiempo, eliminando las condiciones de competencia mediante la exclusión mutua. Este mecanismo asegura que una región de memoria utilizada por un proceso no pueda ser accedida por otro simultáneamente.

Para que este mecanismo funcione correctamente, deben cumplirse cuatro condiciones:

1. Dos procesos no pueden estar al mismo tiempo en sus regiones críticas.
2. No pueden haber suposiciones sobre la velocidad ni el número de CPUs.
3. Ningún proceso que se esté ejecutando fuera de su sección crítica puede bloquear a otros procesos.
4. Ningún proceso debería esperar de manera indefinida para entrar a la sección crítica.

Semáforos

Es un tipo de dato abstracto que permite el uso de un recurso de manera exclusiva. Su estado interno cuenta cuántos procesos pueden utilizar el recurso, utilizando un número entero que nunca debe ser negativo.

Existen tres operaciones principales con un semáforo:

• init(): Inicializa el semáforo antes de cualquier operación wait() o signal(). Si se inicializa con ‘1’, se ha construido un semáforo binario.
• wait(): Si el estado indica cero, el proceso queda bloqueado hasta ser despertado. Si hay disponibilidad, se decrementa el contador y la operación termina con éxito.
• signal(): Una vez terminado el uso del recurso, el proceso lo señaliza. Si hay procesos bloqueados, uno de ellos pasará a estado activo.

Llamadas al sistema

Definen la interfaz entre el sistema operativo y el usuario. Cuando un programa necesita un servicio, ejecuta la instrucción TRAP, que transfiere el control al sistema operativo. Tras ejecutarse, el control se devuelve al proceso de usuario.

Estas llamadas varían según el estándar (POSIX en UNIX frente a la API de Win32 en Microsoft), aunque el objetivo es equivalente.

Sistemas de tiempo real

El tiempo de respuesta es fundamental, ya que dependen de estímulos de dispositivos externos (ejemplo: frenos ABS). Se clasifican en:

• Estrictos: Plazos absolutos que deben cumplirse (ejemplo: piloto automático de un avión).
• No estrictos: Se toleran retrasos ocasionales (ejemplo: teléfono celular).

El comportamiento se logra dividiendo el programa en procesos predecibles. Los algoritmos de planificación pueden ser estáticos (decisiones antes de la ejecución) o dinámicos (en tiempo de ejecución).

Algoritmos de planificación en tiempo real

• RMS (Rate Monotonic Scheduling): Apropiativo y estático. La prioridad depende de la frecuencia del suceso.
• EDF (Earliest Deadline First): Dinámico. No requiere que los procesos sean periódicos; prioriza según el plazo más cercano.

Procesamiento en sistemas de tiempo compartido

Sistemas interactivos donde se utilizan diversos algoritmos:

• Round Robin: Asigna un tiempo máximo de CPU (quantum). Es sencillo y equitativo.
• Planificación por prioridades: Asigna importancia a cada proceso. Puede ser estática o dinámica.
• Planificación multinivel: Modificación de prioridades que favorece procesos interactivos sobre los de background.
• SJF (Shortest Job First): Ejecuta primero el proceso con el tiempo de ejecución estimado más corto.
• Planificación garantizada: Cumple promesas de tiempo de CPU (1/n) a cada usuario o proceso.
• Planificación por lotería: Los procesos poseen «boletos» y el ganador se elige al azar.

Procesamiento Batch

Se busca maximizar el rendimiento, reducir tiempos de retorno y optimizar la utilización de CPU.

• FIFO (First In, First Out): El primero en llegar es el primero en ser atendido. Es sencillo pero vulnerable a bloqueos.
• SJF (No apropiativo): Requiere conocimiento previo de los tiempos de ejecución.
• SRTF (Shortest Remaining Time First): Variante apropiativa de SJF basada en el tiempo restante.

Planificación a tres niveles

1. Admisión: Decide qué trabajos entran al sistema.
2. Memoria: Decide qué procesos residen en memoria principal y cuáles en disco.
3. CPU: Decide cuál de los procesos cargados en memoria tiene derecho a ejecutarse.