Fundamentos de la Gestión de Procesos y Hilos en Sistemas Operativos

Gestión de Procesos y Hilos en Sistemas Operativos

La gestión de procesos es fundamental en cualquier sistema operativo para asegurar la eficiencia y el correcto funcionamiento de las aplicaciones. A continuación, se detallan los conceptos clave relacionados con los procesos, hilos y sus estados.

1. Procesos y Flujos de Control

Un proceso es una instancia de un programa en ejecución. Otras formas de referirse a un proceso incluyen tarea, hilo (en algunos contextos, aunque se diferenciará de la hebra más adelante) o flujo de control. Cuando múltiples procesos concurren, el sistema operativo es el encargado de:

• Asignar los recursos necesarios.
• Establecer un orden de ejecución, atendiendo a las prioridades definidas.
• Efectuar la sincronización, que implica introducir procesos en la CPU y gestionarlos en la memoria.

Cada vez que un programa se convierte en un proceso, se le ubica en memoria y se le asocia una estructura de datos específica.

1.1. Bloque de Control de Proceso (BCP)

La estructura de datos asociada a un proceso es crucial para su identificación y correcta ejecución. Se conoce comúnmente como Bloque de Control de Proceso (BCP). Este bloque contiene información vital para el sistema operativo, incluyendo:

• Identificador de Proceso (PID): Un número único asignado por el sistema operativo que diferencia un proceso de otro.
• Estado del Proceso: Indica la situación actual del proceso (en ejecución, preparado, bloqueado, etc.).
• Dirección de Memoria: La ubicación en memoria donde el proceso está cargado.
• Recursos Asignados: Información sobre los recursos del sistema que el proceso está utilizando (CPU, E/S, archivos, etc.).

2. Hebras (Threads) y Estados del Proceso

Una hebra (o thread) representa el estado de ejecución de un proceso, es decir, el recorrido o secuencia de instrucciones que se están ejecutando dentro de un programa. Es un concepto de software fundamental para la planificación y la concurrencia.

Tradicionalmente, un proceso normal tiene una única hebra. Por ejemplo, un procesador de texto con un solo documento abierto implica un único espacio de memoria con acceso a un determinado espacio en disco duro, lo que se entiende como una sola hebra de ejecución.

Sin embargo, si sin cerrar el procesador se abre un nuevo documento, el programa pasa a tener dos hebras. Esto significa que el procesador de texto se ejecuta una sola vez como proceso, pero cada documento abierto puede generar una hebra nueva, permitiendo la ejecución concurrente de tareas dentro del mismo proceso.

2.1. Estados de un Proceso

Un proceso puede transitar por varios estados a lo largo de su ciclo de vida. Los estados principales son:

1. En Ejecución: El proceso está utilizando la CPU y sus instrucciones se están ejecutando activamente.
2. Preparado (o Listo): El proceso está en memoria RAM, esperando a que el planificador del sistema operativo le asigne tiempo de CPU para su ejecución.
3. Bloqueado: El proceso no puede ejecutarse porque está esperando que ocurra un evento (por ejemplo, la finalización de una operación de E/S, la disponibilidad de un recurso que está siendo utilizado por otro proceso, o la resolución de un error).

2.2. Relación Padre-Hijo y PID

Como se mencionó, cada proceso posee un Identificador de Proceso (PID) único, asignado por el sistema operativo. La mayoría de los procesos son lanzados por otros procesos. Por ello, se establece una relación jerárquica donde el proceso que inicia a otro se denomina proceso padre, y el proceso iniciado se conoce como proceso hijo.

3. Transición de Estados de los Procesos

El ciclo de vida de un proceso implica una serie de transiciones entre sus diferentes estados:

• Cuando un proceso es lanzado, inicialmente se coloca en una cola y entra en el estado Preparado.
• Cuando el planificador del sistema operativo le asigna tiempo de CPU, el proceso pasa al estado En Ejecución.
• Si el proceso necesita esperar un recurso o un evento, pasa al estado Bloqueado. Una vez que el evento ocurre o el recurso está disponible, el proceso vuelve al estado Preparado.
• Un proceso en ejecución puede ser interrumpido (por ejemplo, por una interrupción de tiempo o una interrupción de E/S) y volver al estado Preparado.

Los cambios de estado se denominan transiciones de proceso.

3.1. Cambio de Contexto

Cada vez que el sistema operativo cambia de un proceso a otro para su ejecución, se produce un cambio de contexto. Este proceso consiste en:

1. Guardar toda la información del proceso que estaba en ejecución (su BCP).
2. Cargar la información del BCP del siguiente proceso a ejecutar.

Este mecanismo es esencial para la multitarea y la concurrencia.

3.2. Prioridades de Proceso

Los estados de los procesos tienen una relación directa con las prioridades. Estas prioridades son asignadas por el sistema operativo y determinan el orden y la cantidad de tiempo de CPU que un proceso recibirá. De ello dependerá que el proceso se ejecute en más o menos tiempo.

Las prioridades se establecen en función de la necesidad de ejecución del proceso. Generalmente, los procesos con mayor necesidad o criticidad para el sistema operativo o el usuario suelen tener prioridades más altas, lo que les permite acceder a la CPU con mayor frecuencia.