Procesos, concurrencia y paralelismo

El Sistema Operativo (a partir de ahora SO) gestiona los procesos por medio de lo que se conoce como planificador de procesos. Este planificador es el encargado de ofrecer tiempo de ejecución a cada proceso, para lo cual necesita mantener una estructura de procesos en la que por cada proceso se almacena:

• Un PID: cada proceso tiene un Process IDentifier o PID que lo identifica de forma única.
• Un espacio de direcciones de memoria y lista de ubicaciones que va desde un mínimo a un máximo donde el proceso puede leer y/o escribir datos en memoria.
• El contenido de los resitros de la CPU para que cuando se vuelva a otorgar tiempo de ejecución se pueda restaurar el estado en que se encontraba la CPU en el momento en que se cambió por otro proceso.
• Otros recursos como ficheros que tiene abiertos, "relaciones" con otros procesos, estadísticas de uso de CPU, recursos de Entrada/Salida ocupados, estado en que se encuentra, etc.

A continuación te muestro la parte de un programa que podría ser parte del planificador de procesos de un SO:

public class Proceso {
    private int pid;
    private int memoriaMinima; // Dirección mínima de memoria
    private int memoriaMaxima; // Dirección máxima de memoria
    private String estado;
    private String[] registrosCPU; // Contenidos de los registros de la CPU
    private String[] recursosAbiertos; // Recursos abiertos por el proceso

    public Proceso(int pid, int memoriaMinima, int memoriaMaxima) {
        this.pid = pid;
        this.memoriaMinima = memoriaMinima;
        this.memoriaMaxima = memoriaMaxima;
        this.estado = "Creado";
        this.registrosCPU = new String[10];     // Suponemos que la CPU tiene 10 registros
        this.recursosAbiertos = new String[5];  // Suponemos que el proceso tiene 5 recursos abiertos
    }

    // Resto del código...
}

Cuando hablamos del espacio de direcciones de un proceso nos referimos al conjunto de posiciones de memoria que el proceso puede utilizar durante su ejecución. Es el SO el que se encarga de asignar y administrar esa memoria. Aunque para entenderlo no es estrictamente necesario, conviene recordar que dichas direcciones no son físicas, sino virtuales, ya que el hardware y el SO se encargan de mapearlas a direcciones reales en la RAM.

Dentro de este espacio, la memoria de un proceso suele dividirse en varias secciones principales:

• .text contiene las instrucciones del programa, es decir, el código ejecutable en lenguaje máquina.
• .data almacena las variables globales y estáticas inicializadas del programa.
• .rodata guarda los datos de solo lectura, como constantes literales que no cambian durante la ejecución.

Además de estas, en la práctica existen otras regiones relevantes:

• .bss se reserva para variables globales y estáticas no inicializadas (el SO las rellena con ceros al inicio).
• heap espacio dinámico que crece hacia direcciones altas, utilizado para memoria asignada en tiempo de ejecución (por ejemplo, con malloc en C o new en C++).
• stack memoria para las variables locales y el contexto de ejecución de las funciones (parámetros, direcciones de retorno, etc), que crece hacia direcciones bajas.

Esta organización permite al sistema operativo gestionar de manera eficiente la memoria, aislar procesos entre sí y ofrecer mecanismos como protección de escritura/lectura o memoria compartida.

En un ordenador existen muchos procesos en ejecución al mismo tiempo. A esto se le conoce como computación concurrente: varios procesos ejecutándose al mismo tiempo.

El planificador de procesos del SO aplica ciertos algoritmos para permitir que varios procesos puedan usar la misma CPU o recursos, otorgando tiempo a todos los procesos sobre estos recursos, y moviendo a todos estos procesos a través de una maquinaria de estados. Los estados en que se puede encontrar un proceso son:

• Creado: primero el proceso es creado, cargando sus instrucciones y datos del disco secundario a la memoria principal. A continuación es llevado al estado Esperando.
• Esperando: en este estado, el proceso espera a que el planificador lo elija para hacer el cambio de contexto, es decir, le asigne la CPU para ser ejecutado y, por tanto, pase al estado de Ejecución.
• Ejecución: por cada core que tenga la CPU puede haber un proceso en este estado. Aquí se ejecutan las instrucciones del proceso. El planificador del SO irá alternando a los procesos para que todos tengan tiempo de ejecución. Si el SO hace un cambio de contexto, el proceso que se está ejecutando pasará al estado de Esperando. Además, puede pasar que el proceso necesite algún recurso (por ejemplo, necesita abrir un fichero o iniciar comunicación por la red) y pasaría al estado de Bloqueado, llevando a cabo un cambio de contexto.
• Bloqueado: aquí se encuentran los proceso en espera de un recurso. Cuando lo tenga disponible pasará al estado de Esperando para que el planificador lo pueda seleccionar para ser ejecutado de nuevo.
• Terminado: una vez se han ejecutado todas las instrucciones de un proceso, el planificador lo pasa a este estado. Aquí, el proceso, espera a ser eliminado y quitado de la memoria, dejando dicho espacio de memoria libre.

En esta maquinaria de estados vemos como el planificador va durmiendo y despertando procesos para alternarlos entre los estados de Ejecución y Esperando. Además, cuando un proceso necesita un recurso de Entrada/Salida (por ejemplo, abrir un fichero) es suspendido y pasa al estado de Bloqueado. Una vez está el recurso de Entrada/Salida listo es devuelto al estado de Esperando.

La computación concurrente es la que permite que varias tareas se puedan ejecutar durante el mismo periodo de tiempo. La programación concurrente es la técnica de programación que permite crear sistemas donde varios procesos se puedan ejecutar al mismo tiempo.

Te explico con un ejemplo en qué consiste la computacion concurrente y cómo funciona, aunque en el apartado anterior ya se ha hecho de forma implícita. Imagina un sistema en el que hay tres procesos ejecutándose durante el mismo tiempo, es decir, concurrentemente. Estos tres procesos son A, B y C. No obstante, solo hay una CPU, por lo que solo un proceso puede ejecutarse en la CPU en un instante dado. El planificador del SO decidirá en cada momento qué proceso se ejecuta en dicha CPU. Este podría ser el diagrama temporal de ejecución de los procesos A, B y C:

Como se aprecia en el gráfico hay tres procesos en ejecución al mismo tiempo (concurrentemente) pero no hay paralelismo porque en cada instante solo un proceso está siento ejecutado por la CPU.

Para que haya computación paralela es necesario que exista computación concurrente. La diferencia está en que los procesos se pueden ejecutar en paralelo porque, por ejemplo, hay varias CPU. La programación paralela es la técnica a través de la cual se explota la presencia de varias CPU para dividir el trabajo entre ellas, acortando el tiempo de ejecución.

Con el siguiente diagrama debería quedar clara la diferencia entre concurrencia y paralelismo. En el escenario representado por este diagrama existen dos CPU: CPU1 y CPU2, por eso se pueden ejecutar hasta dos procesos juntos:

En la imagen se pueden ver los tres procesos anteriores y cómo se van ejecutando en la CPU1 y la CPU2 en función de las necesidades. Verás, que el tiempo total de ejecución se ha acortado bastante. La computación paralela permite acortar tiempos de ejecución totales aunque la gestión del planificador se complica.

La computación distributida es aquella en la que hay varios ordenadores conectados en red donde se distribuyen las tareas o procesos, consiguiendo así el paralelismo explicado anteriormente. La programación distributida, por tanto, es la técnica en la que se escriben programas que trabajan coordinadamente en esta red de ordenadores distribuidos.

En realidad, es un tipo de computacion paralela en la que se emplean varios ordenadores en vez de varias CPU en un mismo ordenador.

No obstante, cuando hablemos de computación paralela nos referiremos a un único ordenador con varias CPU y cuando hablemos de computación distributida nos referiremos a varios ordenadores conectados por red para repartir el trabajo o los procesos.