Un programa en marcha

Un programa guardado no hace nada

Un programa es un archivo: una entidad pasiva guardada en el disco. Un proceso es ese programa en ejecución: tiene memoria asignada, archivos abiertos, dispositivos de entrada y salida, y un contador de programa que indica cuál es la siguiente instrucción.

Por eso dos procesos pueden ejecutar el mismo programa —dos terminales abiertas, dos pestañas del mismo editor— y aun así ser distintos: cada uno tiene su propia memoria. Incluso los sistemas más simples necesitan procesos, porque un núcleo de CPU solo ejecuta una cosa a la vez y alguien tiene que repartir el turno.

En memoria, un proceso se organiza en cuatro secciones:

• Texto: el código ejecutable.
• Datos: las variables globales.
• Heap: la memoria que se pide durante la ejecución (por ejemplo, con malloc o new). Crece hacia arriba.
• Pila (stack): lo temporal de cada llamada a función: parámetros, dirección de retorno y variables locales. Crece hacia abajo, al encuentro del heap.

Cinco estados

• Nuevo: el proceso se está creando.
• Listo: tiene todo para ejecutarse; solo le falta un núcleo de CPU.
• Ejecutando: sus instrucciones están corriendo en un núcleo.
• Esperando: aguarda un evento, como terminar una lectura de disco o recibir una señal. Aunque le dieran la CPU, no podría avanzar.
• Terminado: acabó su ejecución.

La diferencia clave es entre listo y esperando: el listo espera a la CPU; el que espera, a algo externo. Por eso de esperando nunca se pasa directo a ejecutando: primero vuelve a la cola de listos.

El bloque de control de proceso (PCB)

El sistema operativo representa cada proceso con un PCB (Process Control Block): la ficha con todo lo necesario para detenerlo y retomarlo justo donde iba.

• Estado del proceso.
• Contador de programa: la dirección de la siguiente instrucción.
• Registros de la CPU: acumuladores, índices, punteros.
• Planificación: prioridad y parámetros del planificador.
• Memoria: registros base y límite, tablas de páginas o segmentos.
• Contabilidad: tiempo de CPU usado, límites, número de proceso.
• Estado de E/S: dispositivos y archivos abiertos.

En Linux, el PCB es la estructura task_struct, y el kernel mantiene todas en una lista doblemente enlazada. Desde el espacio de usuario no se puede tocar, pero /proc/<PID>/status muestra buena parte de su contenido.

Colas y cambio de contexto

El objetivo de la multiprogramación es que siempre haya algún proceso usando la CPU. El planificador de procesos elige, de la cola de listos, quién ocupa un núcleo libre. Quien pide E/S pasa a una cola de espera y, al terminar la E/S, regresa a la de listos. La cantidad de procesos en memoria se llama grado de multiprogramación.

Los procesos limitados por E/S usan la CPU poco tiempo antes de esperar; los limitados por CPU la usarían todo el tiempo, así que el sistema no los deja acapararla. Si la memoria no alcanza, puede sacar temporalmente un proceso al disco: eso es el swapping.

Cambiar de proceso en un núcleo es un cambio de contexto: guardar el PCB del que sale y cargar el del que entra. Ese tiempo es tiempo muerto, sin trabajo útil, y depende mucho del hardware.

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