Processi

Definizione: processo

Il processo è un’istanza di un programma in esecuzione su un computer e rappresenta una delle unità fondamentali di gestione delle risorse da parte di un sistema operativo. Quando un programma viene eseguito, il sistema operativo crea un processo per esso, fornendogli le risorse necessarie, come CPU, memoria, accesso ai file e altri dispositivi.

Osservazione: differenza tra processo e programma

La differenza tra il concetto di processo e quello di programma è fondamentale in informatica, poiché indicano concetti distinti legati all’esecuzione di un’applicazione:

• Un programma è un insieme di istruzioni scritte in un linguaggio di programmazione, che descrive quali operazioni un computer deve eseguire. È un’entità passiva e rappresenta il codice sorgente o il codice binario di un’applicazione, che viene memorizzato in un file su disco (es. un file eseguibile .exe su Windows, oppure un documento contenente codice sorgente scritto in un linguaggio di programmazione come Python o C). Un programma non fa nulla da solo finché non viene avviato.
• Un processo è un’istanza di un programma in esecuzione sulla memoria centrale (RAM). È un’entità attiva che include il codice del programma, lo stato della CPU (come il contatore del programma e i registri), lo spazio di memoria (segmento di testo e dei dati, stack e heap) e le risorse utilizzate dal programma. Quando un programma viene eseguito, il sistema operativo crea un processo per gestirne l’esecuzione.

Ecco una tabella riassuntiva:

Caratteristica	Programma	Processo
Definizione	Un insieme di istruzioni memorizzate su disco	Un’istanza di un programma in esecuzione
Stato	Entità passiva	Entità attiva
Memoria	Non usa memoria attiva	Utilizza memoria (segmento di testo e dei dati, stack e heap)
Esecuzione	Non è in esecuzione	In esecuzione
Durata	Permanente fino a quando è cancellato o modificato	Temporanea, esiste solo durante l’esecuzione
Gestione	Non richiede gestione attiva	Gestito dal sistema operativo (CPU, memoria, I/O)
Relazione	Un programma può generare più processi	Ogni processo è basato su un programma

Osservazione: più processi per lo stesso programma

Sebbene due processi siano associabili allo stesso programma, sono tuttavia da considerare due sequenze d’esecuzione distinte. Per esempio, l’utente può aprire più finestre dello stesso browser e, di conseguenza, generare più istanze dello stesso programma: ciascuna istanza è un diverso processo e, benché le sezioni di memoria contenenti il codice siano equivalenti, in realtà quelle dei dati, dell’heap e dello stack sono diverse. È inoltre usuale che durante la propria esecuzione un processo generi altri processi.

1 - Il PCB e le informazioni sul processo

Definizione: blocco di controllo del processo (PCB)

Il blocco di controllo del processo (in inglese PCB, Process Control Block) è una struttura dati fondamentale utilizzata dal sistema operativo per memorizzare nella RAM tutte le informazioni relative a un processo dal momento della sua inizializzazione e aggiornato durante l’intero ciclo di vita del processo.

Le informazioni contenute in un PCB variano a seconda delle implementazioni nei vari sistemi operativi, ma in generale sono presenti:

• Stato del processo: la condizione in cui si trova un processo in un dato momento durante la sua esecuzione nel sistema operativo (new, ready, running, waiting o terminated).
• Identificatore del processo (in inglese PID, Process ID): un numero intero univoco assegnato al processo dal sistema operativo. Questo identificatore viene utilizzato per distinguere il processo dagli altri processi attivi.
• Program Counter (abbreviato in PC): il valore contenuto nel Program Counter della CPU nel momento in cui il processo è stato interrotto, per consentire di riprendere poi l’esecuzione correttamente dall’ultima istruzione eseguita prima dell’interruzione stessa. Non viene aggiornato di continuo, ma solo nel momento in cui si effettua il cambio di contesto, perché altrimenti sarebbe inutile e poco efficiente tenerlo sincronizzato.
• Stato dei registri della CPU: i valori contenuti in alcuni registri della CPU di uso comune (es. accumulatori, puntatori allo stack, registri di uso generale) nel momento in cui il processo è stato interrotto. Come per il Program Counter, non vengono aggiornati di continuo, ma solo nel momento in cui si effettua il cambio di contesto, perché altrimenti sarebbe inutile e poco efficiente tenere tutti i valori sincronizzati.
• Informazioni sulla gestione della memoria: dati su come la memoria è allocata al processo, come indirizzi di base e limiti di memoria del processo, oppure tabelle di paginazione o segmentazione, nel caso il sistema operativo utilizzi tecniche di gestione della memoria virtuale.
• Informazioni di I/O: un elenco dei dispositivi di input/output utilizzati dal processo (es. file aperti, dispositivi hardware come stampanti, reti) e file descriptor che fanno riferimento ai file aperti dal processo.
• Informazioni di schedulazione: un elenco delle informazioni utili alla schedulazione dei processi, come:
  • Priorità del processo: indica l’importanza relativa del processo rispetto agli altri.
  • Tempo di esecuzione accumulato: il tempo che il processo ha trascorso in esecuzione.
  • Algoritmo di schedulazione utilizzato: se il sistema operativo utilizza diverse politiche di schedulazione, nel PCB viene specificata quale viene usata.
• Informazioni di accounting: dati utilizzati per tenere traccia del tempo CPU consumato dal processo, della quantità di risorse utilizzate e di eventuali statistiche di utilizzo, utili per la fatturazione o il monitoraggio delle prestazioni.
• Informazioni sui segnali: un elenco dei segnali che il processo può ricevere e le relative azioni da eseguire al ricevimento di un segnale (ad esempio, terminare il processo o ignorare il segnale).

1.1 - Stato di un processo

Definizione: stato di un processo

Lo stato di un processo rappresenta la condizione in cui si trova un processo in un dato momento durante la sua esistenza nel sistema operativo. Serve a gestire i processi in modo efficiente, garantendo che la CPU venga utilizzata in modo ottimale senza che rimanga inattiva: per esempio, quando un processo è in attesa, il sistema operativo può assegnare la CPU a un altro processo già pronto per essere eseguito.

Gli stati principali di un processo sono new, ready, running, waiting e terminated.

Attenzione: gli stati potrebbero cambiare nei vari sistemi operativi

A seconda del sistema operativo, i nomi degli stati potrebbero variare o, in alcuni casi, potrebbero esserci ulteriori distinzioni tra i vari stati, oltre ai soliti 5 (new, ready, running, waiting e terminated).

Vediamo ora la definizione completa di ogni stato.

Definizione: stato new (nuovo)

Un processo entra nello stato new (nuovo) non appena viene creato e ci rimane finché non sarà pronto per essere eseguito. Durante questa fase di inizializzazione vengono assegnate risorse come memoria e PID.

Definizione: stato ready (pronto)

Un processo entra nello stato ready (pronto) quando è pronto per essere eseguito ma sta aspettando che la CPU diventi disponibile perché è occupata da altri processi.

Definizione: stato running (in esecuzione)

Un processo è nello stato running (in esecuzione) quando utilizza la CPU e le sue istruzioni vengono eseguite.

Definizione: stato waiting (in attesa)

Un processo è nello stato waiting (in attesa) (o anche blocked (bloccato) oppure sleeping (dormiente)) quando è in attesa di un evento esterno per continuare l’esecuzione, come il completamento di un’operazione di input/output (I/O), la ricezione di dati o un messaggio.

Definizione: stato terminated (terminato)

Un processo entra nello stato terminated (terminato) quando ha completato la sua esecuzione o è stato interrotto in modo anomalo (per esempio, a causa di un errore). In questo stato, tutte le risorse del processo vengono rilasciate e il processo non esiste più nel sistema operativo.

1.1.1 - Visualizzazione degli stati correnti dei processi

In UNIX, tramite il comando ps -axjf si può avere una visualizzazione ad albero della lista di tutti i processi presenti nel sistema (ovverosia presenti nella coda dei processi) e, nella colonna STAT, ogni codice è associato a uno stato o una caratteristica del processo ed essi possono essere combinati tra loro:

Codice STAT	Descrizione
S	Sleeping: il processo è nello stato sleeping e si trova all’interno della coda dei processi bloccati in attesa che accada un evento, come un segnale o che un input diventi disponibile.
R	Running: il processo è nello stato running e si trova all’interno della coda dei processi pronti pronto per essere eseguito o già in esecuzione.
D	Disk sleep: il processo è in uno stato sleeping non interrompibile e si trova all’interno della coda dei processi bloccati in attesa che un input o output diventi disponibile.
T	Stopped: il processo è nello stato blocked, messo in pausa da un segnale.
Z	Zombie: il processo è nello stato zombie, ossia è terminato ma è in attesa di una wait() dal processo padre.
N	Nice: il processo è in esecuzione con bassa priorità.
W	Waiting for paging: il processo è in attesa che le pagine di memoria vengano scritte o lette dal disco (raro nei moderni sistemi Linux).
s	Session leader: il processo è un leader di sessione (es. una shell che avvia altri processi).
+	Il processo appartiene al gruppo di processi in esecuzione in primo piano (foreground) nel terminale.
l	Il processo è multithreaded (usato su alcuni sistemi come Solaris e Linux).
<	Il processo ha una priorità alta, quindi riceve più CPU rispetto ad altri.

1.2 - Identificatore del processo (PID)

Definizione: identificatore del processo (PID)

L’identificatore del processo (in inglese PID, Process ID) è un numero intero univoco assegnato al processo dal sistema operativo. Questo identificatore viene utilizzato per distinguere il processo dagli altri processi attivi all’interno del kernel.

1.2.1 - Ottenere i PID tramite getpid() e getppid()

La funzione getpid() è una chiamata di sistema utilizzata per ottenere il PID del processo che la usa.

Il suo prototipo è il seguente:

#include <unistd.h>
 
pid_t getpid();

dove:

• pid_t restituito: PID del processo che ha invocato la funzione.

La funzione getppid() è una chiamata di sistema utilizzata per ottenere il PID del processo padre di quello che la usa.

Il suo prototipo è il seguente:

#include <unistd.h>
 
ppid_t getppid();

dove:

• ppid_t restituito: PID del processo padre del processo che ha invocato la funzione.

Le relazioni tra processi costituiscono una struttura ad albero. Il genitore di ogni processo ha a sua volta un genitore, fino ad arrivare alla radice: il processo init.

Esempio: visualizzazione dei PID del figlio e del padre

Ecco un semplice codice in C per visualizzare il PID del processo che sta eseguendo questo programma (il figlio) e quello del suo processo padre (ossia il processo del terminale che ha eseguito il programma):

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("Id del processo: %d\n", getpid());
    printf("Id del processo padre: %d\n", getppid());
}
 

1.3 - Spazio di memoria

Definizione: spazio di memoria di un processo

Lo spazio di memoria di un processo rappresenta l’insieme di tutte le aree di memoria allocate per un processo dal sistema operativo e contiene il codice eseguibile, i dati e le strutture necessarie per far funzionare il programma. Ogni processo ha il proprio spazio di memoria isolato, separato da quello degli altri processi, garantendo che un processo non possa accedere o modificare direttamente la memoria di un altro processo: questa separazione migliora la sicurezza e la stabilità del sistema.

Lo spazio di memoria di un processo è solitamente diviso in:

1. Segmento di codice (o segmento testo): contiene il codice eseguibile del programma, cioè le istruzioni che la CPU eseguirà. Il segmento di codice è generalmente di sola lettura, per evitare che il codice del programma venga accidentalmente modificato.
2. Segmento dati: contiene le variabili globali e statiche del programma, divise in:

• Dati inizializzati: l’insieme delle variabili globali e statiche a cui è stato assegnato un valore al momento della dichiarazione.
• Dati non inizializzati (in inglese BSS, Block Started by Symbol): l’insieme delle variabili globali e statiche che sono dichiarate ma non esplicitamente inizializzate, quindi non hanno un valore inizialmente definito; in alcuni sistemi operativi vengono inizializzate a zero.

3. Heap: è l’area della memoria dinamica utilizzata per l’allocazione di memoria a runtime. Quando un programma richiede memoria dinamica (ad esempio tramite funzioni come malloc() in C o new in C++/Java), questa viene allocata nello heap, il quale viene gestito unicamente dal programmatore stesso (cioè il programmatore è l’unico responsabile della gestione e del rilascio della memoria).

4. Stack: area di memoria che viene utilizzata per memorizzare variabili locali, parametri di funzione e indirizzi di ritorno da funzioni. Ogni volta che viene chiamata una funzione, un nuovo “frame” viene aggiunto allo stack, che contiene le informazioni relative a quella particolare chiamata. Quando la funzione termina, lo stack viene “srotolato” e il frame della funzione viene rimosso. Lo stack si espande e si contrae automaticamente durante l’esecuzione del programma, e la sua gestione è di solito curata dal compilatore e dal sistema operativo.

Ecco una rappresentazione grafica dello spazio di memoria di un processo:

1.3.1 - Variazione della grandezza dei segmenti di memoria

Si può notare che le dimensioni dei segmenti di codice e di dati sono fisse, ovvero non cambiano durante l’esecuzione del programma, mentre le dimensioni di stack e heap possono ridursi e crescere dinamicamente durante l’esecuzione:

• Ogni volta che si chiama una funzione, viene inserito nello stack una struttura dati detta record di attivazione (in inglese activation record) contenente i suoi parametri, le variabili locali e l’indirizzo di ritorno; quando la funzione restituisce il controllo al chiamante, il record di attivazione viene rimosso dallo stack.
• Allo stesso modo, l’heap crescerà quando viene allocata memoria dinamicamente e si ridurrà quando la memoria viene restituita al sistema.

Visto che le sezioni dello stack e dell’heap crescono l’una verso l’altra, tocca al sistema operativo garantire che non si sovrappongano.

5 - Concorrenza tra processi

In informatica, la concorrenza è la proprietà di un sistema in cui più attività indipendenti fanno progresso nello stesso intervallo di tempo, condividendo potenzialmente risorse, senza che sia richiesta la loro esecuzione simultanea.

• Un singolo processore può gestire concorrenza tramite interleaving (alternanza rapida tra task).
• L’obiettivo principale è la gestione di più compiti (reattività, organizzazione, correttezza).

Esempio Un sistema operativo con un solo core che alterna:

• un editor di testo
• un browser
• un processo in background

I processi sono concorrenti, ma non paralleli.

Osservazione:

• Un sistema può essere concorrente ma non parallelo.
• Un sistema parallelo è sempre anche concorrente (ma non viceversa).

5.1 - Parallelismo

Uno dei modi in cui si può implementare la concorrenza è col parallelismo, ossia eseguendo più unità di elaborazione contemporaneamente.

Definizione: parallelismo

Il parallelismo è la capacità di eseguire più processi o thread contemporaneamente. Questo viene gestito dal sistema operativo attraverso tecniche come il multiprocessing e il multithreading. Il parallelismo nei sistemi operativi consente un migliore utilizzo delle risorse della CPU e migliora la reattività delle applicazioni.

Definizione: legge di Amdahl

La legge di Amdahl afferma che se $F$ è la frazione di un calcolo che è parallelizzabile (cioè che può beneficiare dal parallelismo), e $(1-F)$ è la frazione che non può essere parallelizzata, allora l’aumento massimo di velocità, cioè l’accelerazione $a$, che si può ottenere usando $N$ processori è:

$$a=\frac{1}{(1-F)+\frac{F}{N}}$$

Al tendere del numero $N$ di processori all’infinito, l’accelerazione $a$ tende a $\frac{1}{1-F}$ (perché $\frac{F}{N}$ tende a $0$). In pratica, il rapporto prestazioni/prezzo scende rapidamente al crescere di $N$, dato che $\frac{F}{N}$ diventa piccolo rispetto a $(1-F)$.

Osservazione: quando usare il parallelismo

Dalla legge di Amdahl si può intuire che il parallelismo è utile solamente o per piccoli numeri di processori o per problemi con valori molto bassi di $(1-F)$. Per fare un esempio, se $(1-F)$ è solamente il $10\%$ (cioè solo un decimo delle operazioni non sono parallelizzabili), la velocità del calcolo può essere al massimo decuplicata, indipendentemente dal valore di $N$.

Tipi di parallelismo

Parallelismo dei dati: distribuisce sottoinsiemi degli stessi dati su più processi, stessa operazione su ognuno di essi

Esempio: Si consideri, per esempio, l’operazione di somma dei valori contenuti in un vettore di dimensione N. In un sistema con un singolo core, un thread sommerebbe semplicemente gli elementi da [0] a [N – 1]. In un sistema dual-core, invece, il thread A, in esecuzione sul core 0, potrebbe sommare gli elementi da [0] a [N/2 – 1], mentre il thread B, in esecuzione sul core 1, potrebbe sommare gli elementi da [N/2] a [N – 1]. I due thread sarebbero in esecuzione in parallelo su core di elaborazione distinti.

Parallelismo delle attività: distribuisce le attività sui core, ognuno dei quali effettua operazioni distinte sugli stessi dati degli altri o su dati diversi.

Esempio: A differenza della situazione precedente, un esempio di parallelismo delle attività potrebbe coinvolgere due thread, ciascuno dei quali esegue un’unica operazione statistica sull’array di elementi. I thread operano ancora in parallelo su core separati, ma ciascuno sta eseguendo un’operazione diversa

Tuttavia, parallelismo dei dati e parallelismo delle attività non sono mutuamente esclusivi, e le applicazioni possono utilizzare un ibrido di queste due strategie.

5.1.1 - Multiprocessing

Definizione: multiprocessing

Il multiprocessing è la capacità di un sistema operativo di implementare il parallelismo tra processi, eseguendoli simultaneamente, ciascuno con il proprio spazio di memoria, consentendo un isolamento e una stabilità più robusti.

Multiprogrammazione

Definizione: multiprogrammazione

La multiprogrammazione è una tecnica dei sistemi operativi che consente di mantenere più processi in memoria centrale contemporaneamente, alternandone l’esecuzione sulla CPU.

L’idea di base è evitare che la CPU rimanga inattiva: quando un processo in esecuzione si blocca (ad esempio per un’operazione di I/O), il sistema operativo assegna la CPU a un altro processo pronto. In questo modo si massimizza l’utilizzo del processore e si migliora l’efficienza complessiva del sistema.

È opportuno distinguere la multiprogrammazione da concetti affini:

• Multitasking: spesso usato come sinonimo a livello pratico, ma enfatizza l’alternanza rapida dei processi per garantire reattività all’utente;
• Multiprocessing: prevede più CPU o core che eseguono processi realmente in parallelo;
• Multithreading: riguarda la presenza di più thread all’interno dello stesso processo, non più processi distinti.

5.2 - Multitasking

Definizione: multitasking

Il multitasking è la capacità di un sistema operativo di eseguire più processi in maniera apparentemente simultanea, cioè eseguendoli in modo sequenziale con rapidi cambi di contesto che danno all’utente l’impressione che tutti stiano avanzando contemporaneamente.

I principali vantaggi del multitasking sono:

• Miglior utilizzo della CPU: sfrutta al massimo la capacità del processore eseguendo diverse attività, riducendo i tempi di inattività della CPU.
• Efficienza e produttività: permette di eseguire più operazioni allo stesso tempo, migliorando la produttività, ad esempio facendo girare un programma in background mentre si lavora su un altro.
• Esperienza utente migliorata: in applicazioni con interfaccia grafica (GUI), il multitasking permette agli utenti di continuare a utilizzare l’applicazione mentre altre operazioni vengono completate in background, mantenendo la reattività.
• Condivisione delle risorse: i processi possono condividere risorse come la memoria, riducendo il consumo complessivo e ottimizzando l’uso delle risorse di sistema.
• Flessibilità: facilita l’esecuzione di diversi tipi di attività su un unico dispositivo, come navigare su internet mentre si ascolta musica o si scaricano file.

I principali svantaggi del multitasking sono:

• Overhead del sistema: cambiare rapidamente da un processo all’altro (ossia effettuare un cambio di contesto) richiede risorse di sistema e può rallentare le prestazioni generali.
• Rischio di collisione: con più processi che accedono alle stesse risorse, come la memoria, può essere necessario gestire i conflitti di risorse e sincronizzare i processi, aumentando la complessità.
• Maggiore complessità e possibilità di errori: la gestione di più processi o thread richiede un controllo avanzato e può portare a errori difficili da identificare, come deadlock o race conditions.
• Riduzione delle prestazioni su sistemi limitati: su sistemi con meno risorse, il multitasking può ridurre l’efficienza complessiva, creando un sovraccarico che rallenta il sistema.
• Problemi di sicurezza: se i processi non sono ben isolati, un processo può influenzare o interferire con altri, creando vulnerabilità e rischi per la sicurezza.

6 - Processo init in UNIX

In UNIX, il processo init è il primo processo che il kernel manda in esecuzione dopo che il computer ha terminato la fase di bootstrap ed è il processo padre di tutti gli altri processi del sistema. Si occupa dell’inizializzazione del sistema, della gestione degli stati di avvio e dello spegnimento del sistema e ha tipicamente PID 1.

Fonti

• Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne - Sistemi Operativi (10ᵃ Edizione) - Pearson, 2019 - ISBN: 9788891904560.
  • Capitolo 3: processi
  • Capitolo 4: thread
  • Capitolo 5: schedulazione della CPU
• 🏫 Lezioni e slide del Prof. Aldinucci Marco del corso di Sistemi Operativi (canale B), Corso di Laurea in Informatica presso l’Università di Torino, A.A. 2024-25:
  • Cap_03
  • Cap_04
• 🏫 Lezioni e slide del Prof. Schifanella Claudio del corso di Laboratorio di Sistemi Operativi (canale B, turno T4), Corso di Laurea in Informatica presso l’Università di Torino, A.A. 2024-25:
  • Slide: gestione dei processi
• 🏫 Appunti di Carlos Palomino del corso di Sistemi Operativi, Corso di Laurea in Informatica presso l’Università di Torino, A.A. 2024-25 (caricati sul repository GitHub del Team Studentesco Informatica):
  • [SO] - L05 2024.10.12.pdf