Gestion de procesos, archivos y memoria en sistemas operativos distribuidos

ASIGNATURA

Ampliación de Sistemas
Operativos

GRADO EN INGENIERÍA INFORMÁTICA

TEMA 7

Gestión de procesos,
archivos y memoria.

Autor: Lorena Calavia Domínguez
UEMO
universidad online
UEMC
Universidad Europea
Miguel de Cervantes

TEMA 7 Gestión de procesos, archivos y memoria

Unidad didáctica.

Tema 7: Gestión de procesos, archivos
y memoria

INDICE

I. PRESENTACION
II. OBJETIVOS.
III. ESQUEMA.
IV. CONTENIDO.
1. Procesos y procesadores en sistemas distribuidos
1.1. Sistemas operativos en red y sistemas operativos distribuidos.
1.2. Procesos e hilos
1.2.1. Servidor
1.2.2. Cliente
1.3. Modelos de sistema
1.4. Algoritmos de asignación de procesadores
2. Sistemas de archivos distribuidos
2.1. Características y requisitos.
2.2. Arquitectura del servicio de archivos: modelo abstracto.
2.3. Sistema de archivo en red NFS
2.4. Sistema de archivos Andrew (AFS)
3. Sistemas de memoria distribuida
3.1. Memoria compartida distribuida
3.2. Modelos de consistencia
3.2.1. Consistencia estricta
3.2.2. Consistencia secuencial
3.2.3. Consistencia causal
3.3. Granularidad
V. RESUMEN
VI. BIBLIOGRAFIA

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TEMA 7 Gestión de procesos, archivos y memoria

I. PRESENTACION

En el mundo actual, donde la interconexión y la colaboración son fundamentales, los sistemas
distribuidos juegan un papel esencial en el funcionamiento de empresas, organizaciones e incluso en
nuestra vida diaria. En la primera parte de este tema, se explorarán los conceptos clave de los
sistemas operativos en red y distribuidos, centrándose en los sistemas operativos en red debido a su
amplia adopción y utilidad. Además, se examinarán dos modelos fundamentales: el modelo de
estación de trabajo y el modelo de pila de procesadores presentando cómo estos modelos gestionan
el procesamiento y cómo los algoritmos de asignación de procesadores son cruciales para optimizar
el rendimiento del sistema, especialmente al enfrentar la generación de nuevos procesos.

En la segunda parte se tratarán los sistemas de archivos distribuidos. Estos sistemas desempeñan un
papel vital en la organización, almacenamiento y compartición de archivos en entornos distribuidos.
Se analizarán sus requisitos fundamentales y se presentarán dos sistemas de archivos en particular:
el sistema de archivos en red NFS y Andrew (AFS).

Finalmente, el tema se enfocará en la memoria compartida distribuida, una alternativa importante
al paso de mensajes abordando el desafío de la consistencia en estos sistemas para el que se
presentarán tres modelos: consistencia estricta, secuencial y causal, cada uno con sus propias
características y restricciones.

El tema se va a dividir en 3 puntos:

• Procesos y procesadores en sistemas distribuidos
• Sistemas de archivos distribuidos
• Sistemas de memoria distribuida

No es necesario tener conocimientos previos para tener éxito en el estudio y superación de este
tema.

Para el desarrollo de este tema se han utilizado la referencia Coulouris (2007) y Tanenbaum (1995).

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TEMA 7 Gestión de procesos, archivos y memoria

II. OBJETIVOS.

• Diferenciar un sistema operativo en red y sistema operativo distribuido. Conocer las
  funcionalidades y módulos que componen un sistema operativo en red.
• Conocer las diferencias entre el modelo de estación de trabajo y el modelo de pila de
  procesadores.
• Comprender la necesidad de utilizar algoritmos de asignación de procesadores para
  determinar qué procesador ejecutará un nuevo proceso, y las diversas opciones existentes.
• Entender los sistemas de archivos distribuidos, su importancia en entornos distribuidos, y los
  requisitos que deben cumplir.
• Conocer el sistema de archivos en red NFS y el sistema de archivos Andrew (AFS).
• Saber cómo funcionan los sistemas de memoria compartida distribuida y diferenciar los
  modelos de consistencia que se pueden aplicar para resolver el problema de consistencia.

III. ESQUEMA

El tema se va a estructurar de la siguiente manera:

Gestión de procesos,
archivos y memoria

Procesos y procesadores en
sistemas distribuidos

Sistemas de archivos
distribuidos

Sistemas de memoria
distribuida

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TEMA 7 Gestión de procesos, archivos y memoria

IV. CONTENIDO

1. Procesos y procesadores en sistemas distribuidos

1.1. Sistemas operativos en red y sistemas operativos distribuidos.

Los sistemas operativos en red tienen acceso a la red y mediante esta a recursos remotos siendo
este acceso es totalmente transparente. Además, tienen también procesos que no pueden
ejecutarse en otros nodos, siendo el usuario, en caso de poder elegir, el que selecciona que
procesos se ejecutan en su nodo y que procesos en remoto.

En los sistemas operativos distribuidos existe una única imagen del sistema que controla todos los
nodos. En este caso, el usuario no debe preocuparse del nodo en el que se ejecutará el proceso,
pero se pierde la autonomía en cada uno de los nodos.

Este tema se centrará en sistemas operativos de red, ya que son los más extendidos y utilizados.
Aunque en cada nodo de los sistemas operativos en red existe un sistema operativo local (imagen
local), todos los nodos comparten middleware.

Los sistemas operativos en red deben proporcionar como mínimo:

• Encapsulamiento: interfaz sencilla para acceder a recursos ocultando detalles a los clientes
• Protección: gestión de los accesos permitidos a recursos
• Procesamiento concurrente: acceso a recursos concurrentemente desde el punto de vista el
  cliente. La gestión debe ser transparente

Para cumplir con estas mínimas funcionalidades el sistema operativo necesita los siguientes
módulos:

• Gestor de procesos: crea y gestiona las operaciones de los procesos (se considerará proceso
  la unidad de gestión de recursos que incluye un espacio de direcciones y uno o más hilos).
• Gestor de hilos: creación, sincronización y planificación de hilos.
• Gestor de comunicaciones: comunicaciones entre hilos de diferentes procesos en el mismo
  nodo.
• Gestor de memoria: compartición de memoria virtual y física.
• Supervisor: atiende interrupciones y otras excepciones.

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Gestor de procesos

Gestor de
comunicaciones

Gestor de hilos

Gestor de memoria

Supervisor

Figura 1. Funcionalidad básica del sistema operativo (Fuente: Coulouris)

1.2. Procesos e hilos

Un proceso consiste en un entorno de ejecución formado por varios hilos siendo el entorno de
ejecución el que se encarga de gestionar los diferentes recursos a los que acceden los diferentes
hilos.

Los recursos son el espacio de direcciones, recursos e interfaces de comunicación (sockets),
información para la sincronización de hilos (semáforos) y otros recursos de alto nivel como archivos,
interfaces gráficas, etc.

Un hilo puede crearse y destruirse de forma dinámica y está protegido por el entorno de ejecución.
Para la creación de un proceso, lo primero que hay se hace es elegir el procesador de destino. En
este caso la política de transferencia aplicada decide si el nuevo proceso debe ubicarse en el nodo
local o remoto y, en caso de que el nodo sea remoto, la política de ubicación/localización
determina el nodo concreto que alojará el proceso. Las políticas de ubicación/localización pueden
ser:
Estáticas: basadas en análisis matemáticos para la optimización (deterministas o
probabilísticos)

• Adaptativas: reglas basadas en factores no predecibles, como la carga en cada nodo (gestor
  de carga centralizado o jerárquico)

Además, en algunos casos se permitirá la migración de procesos o transferencia de un proceso de
ejecución de un nodo a otro.

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TEMA 7 Gestión de procesos, archivos y memoria

Una vez determinado el nodo en el que se va a crear el proceso, se crea el entorno de ejecución y
del hilo asociado a él. Para ello se define el tamaño de memoria en el espacio de direcciones,
regiones para permitir crecimiento y evitar solape y los permisos de cada región (lectura/escritura).

1.2.1. Servidor

El servidor dispone de un conjunto de uno o más hilos que de forma repetitiva va atendiendo y
procesando las solicitudes recibidas. Si tiene que compartir memoria entre los diferentes hilos, el
aumento del número de hilos no será directamente proporcional al aumento de la eficiencia en el
procesador. En este caso, por tanto, Se requiere de un proceso multi-hilo que se adapta
automáticamente a un multiprocesador de memoria compartida.

Pueden surgir diferentes tipos de arquitecturas:

• Arquitectura de asociación de trabajadores: Se crea un conjunto fijo de hilos trabajadores
  y el hilo receptor y gestor de cola recibe las peticiones y gestiona la cola de asignación de
  nodos trabajadores

El hilo 2
realiza
solicitudes
al servidor

Recepción
e inserción
en cola

Entrada-salida

El hilo 1 genera
los resultados

Solicitudes

N hilos

Cliente

Servidor

Figura 2. Hilos en cliente y servidor (Fuente: Coulouris)

• Arquitectura de hilo por solicitud: el hilo coordinador genera un nuevo hilo por cada
  solicitud que se elimina a sí mismo tras finalizar su labor. En esta arquitectura no existe
  cola y se puede maximizar el rendimiento, pero presenta sobrecarga al dedicar tanto
  procesado a la generación y destrucción de hilos.

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Trabajadores

E/S

Objetos
remotos

Figura 3. Arquitectura de servidor de hilo por solicitud (Fuente: Coulouris)

• Arquitectura de hilo por conexión: el servidor crea un hilo cada vez que un nuevo cliente
  se conecta. Si se cierra la conexión con el cliente desaparece el hilo. Esta arquitectura
  requiere de una cola por conexión, pero reduce la sobrecarga del procesador a costa de
  mayores retrasos.

Hilo por conexión

Objetos
remotos

Figura 4. Arquitectura de servidor de hilo por conexión (Fuente: Coulouris)

• Arquitectura de hilo por objeto: se genera un hilo por cada objeto remoto

Hilo por solicitud

E/S

Objetos
remotos

C

Figura 5. Arquitectura de servidor de hilo por objeto (Fuente: Coulouris)

1.2.2. Cliente

En el cliente se recomiendan hilos separados para procesos que pueden bloquear el cliente. Las
invocaciones a métodos remotos normalmente bloquean al que invoca por lo que el proceso cliente
puede añadir un segundo hilo, que realiza las invocaciones a los métodos remotos y se bloquea
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