Estudo Sobre Os Gerenciamentos Do Sistema Operacional Linux
INTRODUÇÃO
Linux é um sistema operacional tipo Unix que foi desenvolvido por Linus Torvalds inspirado no sistema Minix, que é uma versão simplificada do Unix, e que por fim veio do sistema Multics. O Linux é um exemplo de desenvolvimento com código aberto e de software livre. O seu código fonte está disponível sob licença GPL para qualquer pessoa utilizar, estudar, modificar e distribuir livremente.
Um sistema Linux é capaz de funcionar em um grande número de arquiteturas computacionais. É utilizado em supercomputadores, computadores pessoais e até em aparelhos celulares.
Nesse artigo discutiremos sobre o Gerenciamento de Memória, Gerenciamento de Processos, Sistema de Arquivos e também Gerenciamento de Entrada/Saída do Sistema Operacional Linux com finalidade de obter um aprendizado sobre a estrutura deste sistema operacional.
GERENCIAMENTO DE MEMÓRIA NO LINUX
No Linux a memória funciona da seguinte maneira, processos que estão em execução têm prioridade na memória, quando termina um processo e se tiver espaço na memória, ficam resíduos desse processo na memória para uma futura volta desse processo ser mais rápida. Caso essa memória RAM esteja lotada com processos que estão em execução, aí começa a utilização da memória SWAP (troca). (LIMA, 2007)
Cada processo do Linux, em uma máquina de 32 bits, dispõe de 3GB de espaço de endereçamento virtual para si próprio, com 1GB restante reservado para suas tabelas de páginas e outros dados do núcleo. O 1GB do núcleo não é visível quando o processo executa no modo usuário, mas torna-se acessível quando o processo faz uma chamada ao núcleo. O espaço de endereçamento é gerado quando o processo é criado e sobrescrito em uma chamada ao sistema exec.
O espaço de endereçamento virtual é dividido em áreas ou regiões organizadas em páginas. Contíguas e homogêneas. Isso quer dizer que cada área consiste de uma série de páginas consecutivas com proteção e propriedades de paginação idênticas. O segmento de código e os arquivos mapeados são exemplos de áreas. Pode haver vazios no espaço de endereçamento virtual entre essas áreas. Qualquer referência à memória para um vazio resulta em uma falta de página fatal. O tamanho de página é fixo.
O Linux usa um esquema de paginação de três níveis. Embora tenha sido utilizado no processador Alpha , esse esquema também é empregado de maneira modificada em todas as arquiteturas. Cada endereço virtual é quebrado em até quatros campos. O campo diretório é usado como índice do diretório global ,sendo que existe um privado para cada processo. O valor encontrado é um ponteiro para um dos diretórios intermediários de página, o qual é indexado por um campo do endereço virtual. A entrada selecionada aponta para a tabela de página final, a indexada pelo campo página do endereço virtual. A entrada encontrada aponta para a página requisitada. No Pentium, que usa paginação em dois níveis, cada diretório intermediário de página tem somente uma entrada, de modo que, efetivamente, a entrada do diretório global é quem escolhe a tabela de página a usar.
O Linux gerencia a memória usando o algoritmo companheiro, com a adição de um vetor no qual o primeiro elemento é a cabeça de uma lista de blocos com tamanho de uma unidade, o segundo elemento é a cabeça de uma lista de blocos com tamanho de duas unidades, o próximo elemento aponta para blocos de quatro unidades e assim por diante. Dessa maneira qualquer bloco de potência de dois pode ser encontrado rapidamente.
Esse algoritmo gera uma considerável fragmentação interna, pois, se você deseja um bloco de 65 páginas, você tem de solicitar e obter um bloco de 128 páginas.
Para amenizar esse problema, o Linux tem uma segunda alocação de memória que obtêm blocos, usando o algoritmo companheiro, e depois os retalha (unidades menores) para gerenciar unidades menores separadamente. Um terceiro alocador de memória também é utilizado quando a memória solicitada precisa ser contígua somente no espaço virtual, mas não na memória física. (TANEMBAUM, 2005)
Para a proteção existe um gerenciador de memória virtual evitando que processos no modo Kernel e no modo User se misturem.
O SISTEMA DE ARQUIVOS DO LINUX
É por meio de um sistema de arquivos que ocorre a gravação e a recuperação dos dados em um dispositivo de armazenamento em um computador.
O sistema de arquivos é independente do hardware e da BIOS, sendo especificado pelo software do sistema operacional no momento da instalação do sistema ou na configuração de dispositivos de armazenamento adicionais posteriormente à instalação. (AUGUSTO, 2005).
O sistema de arquivos do Linux era inicialmente o sistema de arquivos do Minix. Entretanto, por causa do limite de 14 caracteres imposto aos nomes de arquivos e do tamanho máximo de 64 MB para os arquivos, houve prontamente interesse em melhorar o sistema de arquivos. A primeira melhoria foi o sistema de arquivos Ext, que permitiu nome de arquivos de 255 caracteres e arquivos de até 2GB. No entanto ele era mais lento que o sistema de arquivos do Minix motivando assim a continuidade das pesquisas. (TANEMBAUM, 2005).
Atualmente são mais de 20 sistemas de arquivos suportados pelo Linux , dentre eles os mais utilizados são o Ext3 e o ReiserFS.
O sistema de arquivos Ext3 foi desenvolvido pelo doutor Stephen Tweedie e colaboradores na Red Hat, ele seria um ext2 com recurso de journaling e passou a ser suportado na versão 2.4 do Linux. No ext3 o journal usa uma camada chamada JDB (Journaling Block Device), que utiliza um método diferente na recuperação de dados, ao invés de armazenar bytes que devem ser gravados, ele armazena blocos modificados do sistema de arquivos na memória para poder rastrear as operações que ficaram pendentes, a vantagem é que ele não precisa lidar com a complexidade de gravar bytes no journal e a desvantagem é que o journal acaba ficando maior.(SILVA, 2004).
O sistema de arquivos ReiserFS foi criado por Hans Reiser especialmente para o Linux, atualmente ela é patrocinada pela SuSe e mantida pela empresa NameSys (sendo o filesystem padrão das distribuições GNU/Linux da SuSe), o ReiserFS não utiliza blocos de tamanho fixo, mas ajusta o tamanho de acordo com o arquivo, ele e muito rápido ao ler arquivos menores.
O ReiserFS possui suporte a arquivos maiores que 2GB, o acesso a árvore de diretórios é mais rápido que o ext3, utiliza uma eficiente estrutura de dados chamada "balanced tree" ou árvore equilibrada pois, trata toda a partição como se fosse uma única tabela de banco de dados contendo diretórios, arquivos e arquivos de meta-data, isso aumenta o desempenho de aplicativos que trabalham com arquivos pequenos (são lidos em apenas um E/S do HD), em um sistema de arquivo como ext2 o espaço no disco e alocado em blocos que variam de 512 a 4096 bytes ou até maior, se o arquivo exceder um múltiplo exato do tamanho do bloco ocorrerá desperdício de espaço no disco o ReiserFS não aloca em espaços fixos ou blocos ele aloca o tamanho exato que o arquivo precisa.
O ReiserFS infelizmente não trabalha perfeitamente com o sistema de arquivos de rede NFS (Network File System), existem alguns patches para resolver o problema, mas eles não o resolvem completamente.(SILVA, 2004).
GERENCIAMENTO DE E/S
A gerência de entrada e saída no Linux é implementada através de device drivers, um device para cada dispositivo. Os device drivers são acoplados ao sistema operacional quando o kernel é gerado. Sempre que um novo dispositivo é acrescentado ao sistema, o driver correspondente deve ser acoplado ao núcleo. O acesso a dispositivos é na forma de arquivos especiais.
No Linux, todas as operações de E/S são realizadas como uma seqüência de bytes, não existindo o conceito de registro ou métodos de acesso. Dessa forma, as system calls de E/S podem manipular qualquer tipo de dispositivo de forma uniforme.
Os arquivos especiais podem ser acessados da mesma forma que qualquer outro arquivo, utilizando simplesmente as system calls de leitura e gravação. O Linux trabalha com dois tipos de operações de entrada e saída: uma orientada a blocos e outra orientada a caracter.
As operações orientadas a bloco estão geralmente associadas a dispositivos com altas taxas de transferência, como discos, e têm o objetivo de minimizar o número de transferências entre o dispositivo e a memória, utilizando buffer caches (vide figura a seguir). Por exemplo, quando uma operação de leitura a disco é realizada, um bloco é transferido para a memória e, posteriormente, processado.
Programa
↓
Sistema de Arquivo
↓
Buffer cachê
↓
device driver
↓
Disco
Dispositivos orientados a caracteres estão associados normalmente a dispositivos lentos, como terminais, onde a taxa de transferência entre o dispositivo e a memória é realizada caracter à caracter.
REDIRECIONAMENTO DE ENTRADA E SAÍDA
O usuário pode, através do redirecionamento de E/S, redefinir de onde um comando ou programa receberá sua entrada e para onde enviará sua saída. A entrada de um comando são os dados sobre os quais o comando irá operar. Estes dados podem vir de um arquivo especificado pelo usuário, de um arquivo de sistema, do terminal ou da saída de outro comando. A saída de um comando é o resultado da operação que ele realiza sobre a entrada. A saída dos comandos pode ser impressa na tela do terminal, enviada a um arquivo, ou servir de entrada para outro comando.
Um comando Linux, normalmente requer uma entrada (em geral, um arquivo) e uma saída, a fim de exibir os resultados. Quando nenhum nome de arquivo é especificado, o shell admite que o teclado do usuário será sua entrada. O teclado é considerado a entrada padrão do sistema. E quando alguns resultados precisam ser exibidos, o shell assume que a tela será a saída padrão do sistema.
GERÊNCIA DE PROCESSOS
Nos sistemas operacionais, um processo é a forma de representar um programa em execução. É o processo que utiliza os recursos do computador - processador, memória, etc - para a realização das tarefas para as quais a máquina é destinada. (ALECRIM, 2005).
O modelo de gerenciamento de processos do Linux teve uma evolução notável.
Desde o seu inicio, auxiliado pelo modelo Bazaar1 de desenvolvimento, esses algoritmos foram enumeras vezes criticados e melhorados por eruditos ao redor do mundo, isso faz com que o Linux tenha hoje um dos melhores conjuntos de algoritmos para gerenciamento de processos já visto.
Um processo pode ser descrito como parte de um programa que está aparentemente rodando. Este aparente existe somente pelo fato de que determinado processo pode entrar e sair diversas vezes do processador em um único segundo, e em um determinado momento ele pode não estar no processador e mesmo assim aparentemente estar rodando.
Como qualquer sistema de compartilhamento de tempo o Linux consegue dar a impressão de execução simultânea dos processos, separando um espaço bastante curto de tempo para cada um deles. Para ter sucesso nesta tarefa ele segue uma serie de regras que não desperdiça tempo de hardware com operações desnecessárias e consegue escolher qual processo deve ser executado naquele exato momento.
O que decide essa escolha no kernel é o escalonador de processos, que em grande parte é responsável pela produtividade e eficiência do sistema. Mais do que um simples mecanismo de divisão de tempo, ele é responsável por uma política de tratamento dos processos que permite os melhores resultados possíveis.
A função do “start kernel” tem a responsabilidade de criar um thread, este é o processo de número zero, o primeiro e o ascendente de todos os outros processos.
Esta função também é responsável por chamar a função “Init” que por sua vez utiliza a chamada de sistema “execve” para rodar o executável init, que será o processo número 1, mais conhecido como init. Podemos chamar de Deus e pai de todos os outros processos, é o segundo processo a ser criado e um dos últimos a morrer. Seus filhos,vivem como nós seres humanos, eles nascem, se desenvolvem, tem uma vida mais ou menos produtiva, podem ter inúmeros.
Uma das coisas que o escalonador precisa ter ciência é em qual estado está cada processo, na estrutura que armazena os dados de cada processo temos um array de possíveis estados onde apenas uma das opções abaixo estará ativa.
TASK RUNNING Em execução ou aguardando para ser executado.
TASK INTERRUPTIBLE O processo está suspenso até que determinada condição se torne verdadeira.
TASK UNINTERRUPTIBLE Como o estado anterior, exceto pelo fato de que o
seu estado não será modificado quando receber um sinal. É importante para os
processos que necessitam executar determinada tarefa sem ser interrompido.
TASK STOPPED Execução do processo foi parada.
TASK ZOMBIE O processo está terminado, mas o processo pai ainda não executou uma chamada de sistema para retornar informações sobre o processo morto -“wait”, as informações não são descartadas pois ainda podem ser utilizadas.
Por padrão o Linux limita os recursos que cada processo pode ter. Isto é, quanto de recursos do sistema ele pode utilizar. Isso é uma proteção para que caso o usuário faça algo errado, não prejudique a estabilidade do sistema.
Os processos do Linux são preemptivos, isso significa que quando um processo entra no estado TASK RUNNING o kernel vai checar se existe alguma prioridade maior do que o processo corrente. Caso exista, o processo corrente é interrompido e o que tem prioridade maior começa a rodar.
A prioridade de um processo no Linux está em constante alteração, o escalonador se mantém informado sobre o que os processos estão fazendo e assim torna-se possível ajustar a prioridade. Dessa maneira os processos que ficaram proibidos de utilizar o CPU por um longo intervalo de tempo, tem sua prioridade incrementada automaticamente, contrariamente os processos que passaram um longo período dentro do CPU são penalizados tendo sua prioridade decrementada.
O algoritmo de escalonamento do Linux funciona dividindo o tempo do CPU em fatias. Em uma única fatia cada processo tem um tempo especifico de duração que é computada assim que essa fatia inicia. Geralmente processos diferentes tem tempos de execução diferentes. Quando o tempo de execução de um processo termina ele é retirado do CPU e outro processo que está rodando é colocado no seu lugar. Uma fatia termina quando todos os processos esgotaram seu tempo reservado de execução, assim o escalonador é responsável por calcular o tempo de execução para todos os processos e uma nova fatia inicia. Para o Linux escolher qual processo deve rodar ele precisar escolher qual tem a prioridade maior, existem dois tipos de prioridade
Prioridade Estática Definido pelo usuário para processos que necessitam de tempo real, os valores variam de 1 até 99 que nunca são modificados pelo escalonador.
Prioridade Dinâmica Esta é aplicada para os processos convencionais. A prioridade dinâmica dos processos convencionais é sempre inferior aos processos com prioridade estática. Se existir um processo com prioridade estática no estado TASK RUNNING nenhum processo dinâmico irá rodar até que ele pare de executar. (TOLEDO, 2005).
CONCLUSÃO
Conclui-se que o sistema operacional Linux é de grande utilidade para o usuário por ser um sistema livre e de código fonte aberto. A pesquisa feita sobre seus gerenciamentos, memória, processos, E/S e arquivos, foi de grande importância para descobrir um pouco mais sobre este sistema operacional.
As informações obtidas sobre alocação de memória e escalonamento de processos revelam que ainda há bastante assunto para se aprofundar em futuras pesquisas deste SO.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AUGUSTO, K. Sistemas de arquivos EXT3 e ReiserFS no GNU/Linux. 2005. Disponível em: http://www.vivaolinux.com.br/ artigos/impressora.php?codigo=2119. Acesso em: 08 nov. 2007.
SILVA, G. R. L. Se introduzindo no universo dos filesystems. 2004. Disponível em: http://www.slackwarebrasil.com.br/ web_site/artigos/artigo_completo.php?aid=108. Acesso em 08 nov. 2007.
LIMA, S. A. de. Entendendo o gerenciamento de memória no Linux. 2007. Disponível em: http://www.vivaolinux.com.br/artigos/ impressora.php?codigo=7320. Acesso em: 08 nov. 2007.
TOLEDO, M. Gerenciamento de Processos no Linux. 2005. Disponível em: http://www.marcelotoledo.org. Acesso em 08 nov. 2007.
TANEMBAUM, A. S. Sistemas Operacionais Modernos. 2ª Ed. 2005.
AECRIM, E. Sistema de arquivos ext3. 2003. Disponível em: http://www.infowester.com/printversion/linext3.php. Acesso em: 08 nov. 2007.
Autor: Silas Silva
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