HILOS DE PROCESOS | ¿QUE ES UN HILO? | CONCEPTOS BÁSICOS DE SISTEMAS OPERATIVOS

Summary

En este video, se exploran los procesos y hilos en sistemas operativos. Se definen procesos y hilos, destacando que cada proceso tradicionalmente tiene un espacio de direcciones y un solo hilo de control. Los hilos, que comparten el espacio de direcciones del proceso padre, pueden ejecutarse de forma quasi-paralela, simplificando la programación y permitiendo la ejecución de múltiples tareas a la vez. Los hilos son ligeros y fáciles de administrar, lo que mejora la eficiencia de los programas. Además, en sistemas con múltiples CPU, los hilos pueden ejecutarse en paralelo, aumentando el rendimiento. Se ilustra con un ejemplo de un procesador de texto que interactúa con el usuario, formatea texto y escribe en disco de forma simultánea.

Takeaways

• 🧵 Los hilos son un concepto en sistemas operativos que permiten la ejecución de varias actividades a la vez dentro del mismo espacio de direcciones de un proceso.
• 💡 Un hilo de ejecución se define por un Program Counter, que marca las direcciones de las instrucciones que se ejecutan.
• 🔄 La utilización de hilos puede mejorar la eficiencia y la simplificación de la programación, ya que permiten que varias tareas parezcan ejecutarse de forma paralela.
• 📚 Los hilos comparten el espacio de direcciones y los datos del proceso padre, lo que incluye variables globales pero cada hilo tiene su propia pila de variables locales.
• ⚖️ Los hilos son más ligeros que los procesos, lo que hace que sean más fáciles de crear y destruir, mejorando la eficiencia en la ejecución de programas.
• 🔗 La capacidad de los hilos para compartir datos y memoria puede promover el uso de hilos en lugar de procesos, ya que reduce la sobrecarga de manejo de recursos.
• 💻 La creación de un hilo es significativamente más rápida que la de un proceso, lo que puede ser crucial en aplicaciones que requieren alta eficiencia.
• 📈 La presencia de hilos puede no aumentar el rendimiento si todos están ligados a la CPU, pero sí mejora la eficiencia cuando hay operaciones de entrada/salida.
• 🖥️ En sistemas con múltiples CPUs, los hilos pueden ejecutarse en paralelo en diferentes núcleos, lo que representa un verdadero paralelismo en la ejecución.
• 🔄 En sistemas operativos tradicionales, cada proceso tiene un solo hilo de control, pero la implementación de múltiples hilos permite una ejecución más eficiente y flexible.

Q & A

¿Qué es un hilo de ejecución en un sistema operativo?

Un hilo de ejecución, también conocido como subproceso, es una unidad de procesamiento capaz de ejecutar instrucciones de forma independiente dentro de un proceso. Es ligero en comparación con un proceso y comparte el espacio de direcciones y datos globales con otros hilos del mismo proceso.

¿Cuál es la diferencia fundamental entre un proceso y un hilo?

Un proceso es una instancia de un programa en ejecución que tiene su propio espacio de direcciones, mientras que un hilo es una entidad más pequeña que ejecuta dentro de un proceso y comparte el espacio de direcciones y datos con otros hilos del mismo proceso.

¿Por qué se utilizan varios hilos en un mismo espacio de direcciones?

Se utilizan varios hilos para lograr una ejecución casi paralela de tareas, lo que puede mejorar la eficiencia y la simplicidad de la programación. Los hilos pueden compartir datos y memoria, lo que facilita la colaboración en tareas comunes.

¿Cuál es la ventaja de usar hilos sobre procesos en términos de rendimiento?

Los hilos son más ligeros que los procesos, lo que significa que son más fáciles y rápidos de crear y destruir. Esto puede mejorar la eficiencia y la velocidad de ejecución de programas que requieren la ejecución de múltiples tareas a la vez.

¿Cómo pueden los hilos afectar positivamente un programa que realiza operaciones de entrada/salida?

Cuando un hilo está esperando por una operación de entrada/salida, otros hilos pueden continuar ejecutándose, lo que puede agilizar la aplicación y mejorar el uso general de la CPU.

¿Cómo se relacionan los hilos con el paralelismo en sistemas con múltiples CPU?

En sistemas con múltiples CPU, los hilos pueden ejecutarse en paralelo reales, con cada hilo potencialmente corriendo en un núcleo de CPU diferente, lo que permite un verdadero paralelismo en la ejecución de instrucciones.

¿Qué es el Program Counter y cómo se relaciona con los hilos?

El Program Counter es un registro que indica la siguiente instrucción que debe ejecutarse en un hilo. Cada hilo tiene su propio Program Counter, lo que le permite ejecutarse de manera independiente dentro del proceso.

¿Por qué es importante que los hilos compartan el mismo espacio de direcciones?

La compartición del mismo espacio de direcciones permite que los hilos accedan y modifiquen datos y variables globales compartidas, lo que simplifica la programación y facilita la colaboración en tareas comunes.

¿Cómo se gestiona la ejecución de múltiples hilos en un sistema operativo?

Un sistema operativo gestiona la ejecución de múltiples hilos mediante el uso de un planificador de hilos que decide cuál hilo se ejecutará en qué momento, a menudo intercambiando rápidamente entre ellos para dar la impresión de ejecución paralela.

¿Qué problemas pueden surgir si los hilos no están bien sincronizados?

Si los hilos no están bien sincronizados, pueden ocurrir problemas como la condición de carrera, donde los hilos acceden y modifican datos compartidos sin la debida coordinación, lo que puede llevar a datos inconsistentes o a la corrupción de la memoria.

Outlines

00:00

🧵 Conceptos básicos de hilos en sistemas operativos

Este párrafo introduce los hilos de ejecución en sistemas operativos, comparándolos con los procesos. Se explica que mientras un proceso tiene su propio espacio de direcciones, un hilo actúa dentro del espacio de direcciones de su proceso padre. Los hilos son útiles para la ejecución de tareas de manera casi paralela, compartiendo datos y direcciones, lo que puede simplificar la programación y mejorar la eficiencia. Además, se menciona que los hilos son más ligeros que los procesos, lo que facilita su creación y destrucción, y pueden mejorar el rendimiento al permitir la superposición de cálculos y operaciones de E/S. Finalmente, se discute cómo los hilos pueden ser útiles en sistemas con múltiples CPU, permitiendo un paralelismo real.

05:01

👨‍💻 Modelos de programación con hilos y su simplicidad

En este párrafo se explora cómo la programación se vuelve más simple con la utilización de hilos, proporcionando un ejemplo de un procesador de texto que tiene tres hilos: uno interactúa con el usuario, otro formatea el texto y el tercero escribe periódicamente el contenido de la RAM al disco. Se destaca que cada hilo maneja su propia pila de variables locales, pero comparten las mismas variables globales. Esto simplifica la programación al permitir que varios hilos operen sobre el mismo documento sin la necesidad de una gestión compleja de recursos. Además, se menciona que en sistemas con múltiples núcleos, se puede lograr un paralelismo real en la ejecución de instrucciones.

10:02

🔄 Diferencias entre procesos y hilos en términos de recursos y administración

Este párrafo profundiza en la diferencia entre los procesos y los hilos, enfocándose en la cantidad de recursos y la forma en que son administrados por el sistema operativo. Mientras que los procesos tienen un espacio de direcciones, variables globales, archivos abiertos, procesos hijos, alarmas, señales y manejadores de interrupciones, los hilos son más ligeros y tienen menos elementos a administrar, como un contador de programa, registros y una pila de variables locales. Se resalta que los hilos pueden modificar cualquier variable global dentro del espacio de direcciones del proceso, lo que implica que no hay protección entre ellos, y por lo tanto, la programación debe ser cuidadosa para evitar conflictos de memoria.

Keywords

💡Proceso

Un proceso es una instancia de un programa en ejecución, que tiene su propio espacio de direcciones y un conjunto de datos asociados. En el video, se menciona que los procesos son administrados por el sistema operativo y tienen un contexto de ejecución. Esto es fundamental para entender la base de los sistemas operativos, donde cada proceso se ejecuta de manera aislada pero bajo el control del sistema operativo.

💡Hilo

Un hilo, también conocido como subproceso, es una unidad de ejecución dentro de un proceso que puede ejecutarse de manera paralela a otros hilos dentro del mismo proceso. El video destaca que los hilos comparten el espacio de direcciones del proceso padre, lo que permite una ejecución más eficiente y la capacidad de compartir datos entre ellos. Esto es esencial para la comprensión de la concurrencia en sistemas operativos.

💡Program Counter (PC)

El Program Counter es un registro que indica la dirección de la siguiente instrucción que se ejecutará en un proceso o hilo. En el video, se explica que cada hilo de control se da por el PC, que marca las direcciones de las instrucciones que el proceso ejecutará, lo que es crucial para la secuenciación y el flujo de control dentro de un proceso.

💡Espacio de direcciones

El espacio de direcciones es el conjunto de direcciones en la memoria que un proceso o hilo puede utilizar para almacenar y acceder a sus datos. En el contexto del video, se menciona que cada proceso tiene su propio espacio de direcciones, pero los hilos dentro de un proceso comparten este espacio, lo que facilita la compartición de datos y la comunicación entre hilos.

💡Concurrencia

La concurrencia se refiere a la capacidad de un sistema para gestionar varias unidades de trabajo simultáneamente. El video habla sobre la concurrencia en el contexto de los hilos, que permiten que varias unidades de trabajo (hilos) se ejecuten de manera aparentemente simultánea dentro del mismo proceso, mejorando la eficiencia y el rendimiento del sistema.

💡Multihilo

Multihilo hace referencia a la capacidad de un sistema o proceso para tener múltiples hilos de ejecución activos al mismo tiempo. El video explica que la programación multihilo puede simplificar el modelo de programación al permitir que varias tareas se realicen de manera paralela, lo que es especialmente útil en aplicaciones que requieren varias actividades a la vez.

💡Administración de hilos

La administración de hilos implica la creación, destrucción y gestión de la ejecución de los hilos dentro de un proceso. El video menciona que los hilos son más ligeros que los procesos, lo que hace que sean más fáciles de administrar. Esto es importante para la eficiencia del sistema operativo, ya que permite una rápida creación y destrucción de hilos sin comprometer la estabilidad del sistema.

💡Rendimiento

El rendimiento se refiere a la eficiencia y velocidad con la que un sistema puede ejecutar tareas. En el video, se discute cómo la utilización de hilos puede mejorar el rendimiento de las aplicaciones, especialmente cuando se combinan con operaciones de entrada/salida, ya que permiten que se superpongan actividades de cálculo y E/S, agilizando la aplicación.

💡CPU

La CPU, o unidad central de procesamiento, es el componente de una computadora que realiza la mayoría de las operaciones de procesamiento. El video menciona la importancia de los hilos en sistemas con múltiples CPUs, donde los hilos pueden ejecutarse en paralelo en diferentes núcleos de la CPU, lo que representa el verdadero paralelismo y mejora significativamente el rendimiento del sistema.

💡Memoria compartida

La memoria compartida es un concepto clave en la programación multihilo, donde los hilos dentro de un proceso tienen acceso a las mismas variables globales. El video destaca que esta característica permite a los hilos compartir datos y estado, lo que puede simplificar la programación y aumentar la eficiencia de la ejecución de tareas, pero también requiere una gestión cuidadosa para evitar conflictos y errores.

Highlights

Definición de hilo de ejecución en sistemas operativos.

Relación entre procesos y hilos en términos de espacio de direcciones y control.

Importancia del Program Counter (PC) en el control de hilos.

Ventajas de utilizar múltiples hilos en un mismo espacio de direcciones.

Aplicaciones de hilos en programas que requieren actividades simultáneas.

Mejora en la simplificación de la programación con la utilización de hilos.

Comparación de la eficiencia entre procesos y hilos en la administración de recursos.

Impacto en el rendimiento de aplicaciones con hilos en sistemas con múltiples CPUs.

Ejemplo práctico de hilos en un procesador de texto y su interacción con el usuario.

Diferenciación entre paralelismo cuasi y verdadero en el contexto de hilos y CPUs.

Importancia de la programación multihilo en sistemas operativos modernos.

Desarrollo de modelos de programación más simples con la utilización de hilos.

Comparación de la eficiencia en la creación y destrucción de hilos versus procesos.

Funcionamiento de hilos en sistemas con una única CPU y su ilusión de paralelismo.

Riesgo de interferencia entre hilos debido a la falta de protección en el espacio de direcciones compartido.

Administración de hilos en términos de recursos y estados por parte del sistema operativo.

Elementos fundamentales que componen a un hilo de ejecución en sistemas operativos.

Conclusión sobre la utilidad y la implementación de hilos en la programación de sistemas operativos.

Transcripts

Bienvenidos a otro video hoy vamos a

hablar sobre procesos e hilos en

sistemas operativos vamos a definir

básicamente lo que es un hilo pensemos

lo siguiente hemos hablado de que es un

proceso en videos anteriores eh donde

tenemos obviamente un contexto un

espacio de

direcciones diferentes datos asociados a

lo que es un proceso o como tal que es

que básicamente es administrado por el

sistema operativo pero en el caso de los

hilos podemos hablar que en los sistemas

operativos tradicionales cada proceso

tiene un espacio de direcciones y un

solo hilo de control recordemos que el

hilo de control va a estar dado por lo

que es el program Counter Sí donde el

program Counter va a ir marcando las

direcciones de las instrucciones que va

a ejecutar el proceso Sí o sea de la

parte de del código del proceso se va a

ir ejecutando a través de ese hilo de

control que marca el program Counter

bien en situaciones es conveniente tener

varios hos de control en el mismo

espacio de direcciones en las cuales

podemos analizar o pensar que se ejecuta

cuasi paralelamente sí como si fueran

procesos en este caso casi separados

excepto que estos hilos comparten el

espacio de direcciones del proceso padre

Por así decirlo del proceso mayor de

alguna

manera lo

siguiente Cuáles son las razones por las

cuales nosotros podríamos querer

utilizar varios hilos o varios

subprocesos Por así decirlo eh En las

cuales podemos hablar de que muchas

aplicaciones desarrollan varias

actividades a la vez sí Entonces que

puede que se requieran que estas estos

cilos de ejecución actúen de forma cuasi

paralela sí dándonos la sensación de que

hacen varias tareas a la vez sí entonces

Eh puede ser que algunas de ellas eh se

puedan bloquear de vez en cuando y

generar un modelo de programación más

simplificado al poder ejecutar varios

hilos Esa es la la idea para el uso en

las cuales con hilo se puede agregar un

nuevo elemento la habilidad de las

entidades en paralelo de compartir el

espacio de direcciones y todos sus datos

entre ellas es lo que eh digamos

promueve el uso de hilos ya que eh se

puede compartir el mismo espacio de

direcciones y todos los datos del

proceso y todo lo que son las variables

locales y globales o en este caso las

variables globales del proceso son

compartidas por los hilos eso es lo que

puede ayudar eh este este uso de hilos

no otra de las razones para tener hilos

es que como son más ligeros que los

procesos digamos son más fáciles de

administrar estos hilos que toda la

información que que vimos que necesita

un proceso quiere decir que son más

fáciles de crear y destruir entonces en

muchos sistemas la creación de un hilo

es de 10 a 100 veces más rápida que la

de un proceso Entonces ahí es donde

radica la importancia del uso de hilos y

est puede mejorar obviamente la

eficiencia y la básicamente ejecución de

los diferentes programas

no alguna otra razón para tener hilos

también un argumento relacionado con el

rendimiento los hilos fíjense que no

producen Un aumento en el rendimiento

cuando todos ellos están ligados a la

cpu pero cuando hay una cantidad

considerable de cálculos y operaciones

de entrada salida al tener hilos Estas

actividades se pueden superponer con la

cual se agiliza la aplicación si no es

lo mismo que un proceso como tal accede

a entrada salida a un hilo que es algo

más ligero y que digamos

e va a intercambiar información quizás

de menor de menor calibre o de menor

ancho de banda de alguna forma con este

dispositivo de entrada salida por último

podemos decir decir que los cilos son

útiles para los sistemas con varias cpu

Ya que ahí es donde podemos hablar del

verdadero paralelismo si nosotros

hablamos de que tenemos varios Hilos de

ejecución dentro de un proceso eh pero

solo utilizamos una cpu está va a ser

una ejecución cuasi paralela ya que esos

hilos se van a ir conmutado dentro de

esa única cpu ahora si tenemos varias

cpu que manejan varios program Counter

Sí varios eh varios de estos registros o

sea varios hilos varios puntos de

control de alguna forma o varios Hilos

de control volviendo digamos a este

concepto ahí donde vamos a encontrar el

verdadero paralelismo ya que si

encontramos una cpu con cuatro con

cuatro núcleos Por así decirlo cada uno

de esos núcleos podría estar digamos

atendiendo cada uno de esos hilos por

ejemplo bien fíjense Vamos a verlo

ejemplo que nos va a quedar mucho más

claro de qué hablamos cuando estamos

hablando de hilos en este caso tenemos

con tres hilos el modelo de programación

podría ser mucho más simple fíjense que

el primer hilo eh podemos hablar de que

interactuamos con el usuario el segundo

proceso o hilo en este caso puede dar

formato a lo que es un documento en un

procesador de texto para ponernos en

contexto tenemos un procesador de texto

recordemos que tenemos el kern y acá

Tenemos el mismo espacio de direcciones

y los tres Hilos de ejecución Sí

entonces un hilo podría estar

interactuando con el usuario el otro

hilo podría estar dándole formato al

texto de este procesador de texto y el

tercer hilo podría estar escribiendo

contenido de la ram al disco en forma

periódica Entonces fíjense como Eh Al

tener varios hlos de ejecución tenemos

varias tareas que se realizan de forma

cuasi paralela y que para el usuario se

realizarían de forma básicamente

simultánea no en la cual está

interactuando con el usuario a través

del teclado está dándole formato al eh

texto de este procesador y a su vez está

escribiendo en disco el contenido de la

memoria RAM Qué tienen en común digamos

estos hilos eh que operan el mismo

documento fíjense que claramente

trabajan con las mismas variables

globales del documento pero cada uno

maneja su propia eh su propio conjunto

su propia pila de variable locales en

este caso fíjense que esto simplifica

mucho más la programación y a su vez si

tenemos varios núcleos que en los cuales

Se podrían estar ejecutando varios hlos

de ejecución Eh Esto nos permitiría

obviamente la verdadera eh el verdadero

paralelismo en la ejecución de

instrucciones Fíjese que el modelo

clásico de ilo se basa básicamente en

dos conceptos eh independientes uno es

el agup ento de recursos y ejecución

otro concepto que tiene un proceso de

hilo de ejecución es que por lo general

solo se lo llama hilo y el hilo tiene un

contador de programa que lleva al

registro del cual

eh nos va indicando Cuál es la

instrucción que se ejecuta a

continuación si ese registro es

justamente ese contador de programa PR

Counter que nosotros hablábamos

anteriormente obviamente va a tener

registros que contienen las variables de

trabajo actual y va a tener una pila que

va a contener justamente el historial de

ejecución con el conjunto de valores

para cada uno de los procedimientos que

llama o que utiliza cada uno de esos

hilos entonces tiene una serie de

e así como lo vimos con los procesos

tiene una serie de datos eh que va de

datos e información que necesita para

poder administrar ese hilo de alguna

manera recordando que ocupa el mismo

espacio de direcciones que el proceso eh

mayor que digamos está llamando a este

hilo de ejecución no

fíjense lo siguiente el modelo clásico

deo vamos a tener Obviamente el espacio

de kern lo que es el núcleo y en este

caso tenemos tres procesos pero cada uno

con un hilo de ejecución o sea cada uno

maneja un program Counter y este program

Counter va a estar digamos

eh conmutado cada uno de estos Hilos de

ejecución o de cada uno de estos

procesos no por otro lado podemos tener

el proceso con tres hilos en los cuales

se va trabajando con cada uno de esos

hilos de ejecución distintos que este

proceso

contiene recordando que comparte el

mismo espacio de direcciones Por ende

las mismas variables globales y cada

hilo va a tener su propia sus propias

variables locales

no fíjese cuando hablamos de multihilo

cuando se ejecuta un proceso con

multihilo en un sistema con una cpu los

hilos van a tomar turnos para ejecutarse

en paralelo el multilent lo que va a

hacer de la la misma manera la cpu va a

conmutar rápidamente un entre un hilo y

otro dando la ilusión de que estos hilos

se van a ejecutar en paralelo Aunque en

una cpu más lenta que la verdadera con

tres hilos limitados a cálculos en un

proceso los hilos digamos parecerían que

se Ejecutan en paralelo pero cada uno

digamos va a utilizar en un tercio la

cpu o la velocidad de la cpu verdadera

no en este

caso fíjese que los distintos siglos en

un proceso no son tan independientes

como los procesos ya que todos los hilos

van a tener el mismo espacio de

direcciones esto que hablábamos que van

a compartir las mismas variables

globales Como cada hilo puede acceder

digamos a cada dirección de memoria

dentro del espacio de direcciones del

proceso un hilo puede leer escribir o

incluso borrar la pila de de datos de

otro hilo fíjese que no hay protección

entre los hilos debido a que uno es

imposible y otro no Debería ser

necesario ya que digamos si está bien de

desarrollada la programación eh de estas

tareas no debería poder no debería

básicamente pisarse en memoria los

diferentes datos de cada hilo de

ejecución que se está utilizando

no fíjense cuando hablamos de multilent

habíamos hablado que por proceso definí

un espacio de direcciones variables

globales archivos abiertos procesos

hijos alarma señales y manejadores de

Señales o

interrupciones información contable todo

lo que nos permitía administrar a un

proceso o le permitía al sistema

operativo poder administrar ese proceso

y planificarlo y programarlo en la cpu

ahora los hilos dijimos que son más

ligeros Por ende van a tener elementos

eh menor cantidad de elementos como

vemos tenemos un contador de

programa una cantidad de registros que

van a utilizar una pila Sí una pila de

de variables como veníamos hablando y el

estado obviamente en el el cual se

encuentra el hilo recordemos que puede

estar ejecutándose en espera bloqueado

eh lo mismo que los procesos como

habíamos visto en su

momento fíjense que acá tenemos

justamente el modelo un poco más eh en

detalle donde vamos a tener a cada hilo

con su propia pila fíjense que acá

tenemos la pila del hilo uno la pila del

hilo dos la pila del hilo 3es son

básicamente la pila de variables locales

que usa cada uno de los hilos y

obviamente estos hilos pueden modificar

cualquier variable global que está

dentro de este espacio de direcciones y

recordemos que est es la memoria el

espacio de usuario y este es el espacio

kernel que en el cual accederías a esas

instrucciones eh privilegiadas del

sistema

operativo bien Esto fue entonces una

aproximación a lo que son los hilos

de en relación a los procesos si estos

hil los de ejecución espero les sirva

nos vemos la próxima no te darle like y

suscribirte Muchas

gracias