Qué es un sistema operativo — ejercicios tipo examen con tu portátil, la multiprogramación medida en milisegundos y los tipos de sistemas (y la marca de más que me restó puntos)

Respuesta: El software que gestiona el hardware del ordenador y ofrece un entorno en el que se ejecutan las aplicaciones

El SO está en medio: por debajo tiene el hardware, que gestiona y coordina, y por encima las aplicaciones, a las que ofrece un entorno de ejecución. Las trampas habituales le dan la vuelta (el software que gestiona las aplicaciones y da un entorno al hardware) o lo confunden con el hardware o con una aplicación.

Respuesta: Administrar de forma eficiente los recursos del ordenador · Hacer más fácil la interacción con el ordenador · Proporcionar un entorno para ejecutar las aplicaciones · Facilitar que el software y el hardware puedan evolucionar

Los cuatro objetivos de los apuntes: administrar eficientemente los recursos, facilitar la interacción, dar un entorno a las aplicaciones y facilitar la evolución del software y del hardware (si cambias el disco, tus programas no tienen que cambiar). Recuerda que en esta pregunta cada marca incorrecta resta.

Respuesta: núcleo

Es el núcleo (kernel). Los programas del sistema, como el shell o el explorador de archivos, vienen con el SO pero no son parte del núcleo: se abren y se cierran como cualquier otro programa.

• Policía de tráfico → Organiza los recursos, resuelve los conflictos cuando varios los piden y protege frente a errores y usos no deseados
• Facilitador → Ofrece una máquina extendida que oculta los detalles del hardware para que programar sea más sencillo
• Gobierno → Da a cada uno una parte de los recursos cuando la necesita y define interfaces estándar para compartirlos

Tres metáforas del mismo SO. Policía: orden, conflictos y protección. Facilitador: la máquina extendida que hace la vida fácil al programador. Gobierno: reparto de recursos e interfaces estándar. La opción sobrante describe un compilador.

• V — Los programas del sistema, como el shell, vienen con el SO pero no forman parte del núcleo.
• F — El navegador web forma parte del sistema operativo.
• V — No existe una única definición de sistema operativo aceptada por todo el mundo.
• F — El SO hace por sí mismo el trabajo útil del usuario, como redactar un documento.

El navegador es una aplicación: usa el SO, pero no es el SO. Y el SO no realiza trabajo productivo para el usuario: lo hacen las aplicaciones, y el SO les reparte los recursos para que puedan hacerlo. Sobre la definición, los propios apuntes avisan de que no hay una aceptada universalmente.

Respuesta: Porque hay más demanda que recursos: los procesos compiten por la CPU, la memoria o el disco

Lee despacio: los recursos son escasos y los procesos compiten por ellos. La opción con las palabras intercambiadas es la trampa clásica.

Respuesta: Oculta detalles incómodos del hardware · Añade características que el hardware no tiene por sí mismo · Se puede ver como una capa que envuelve al hardware

La visión de interfaz: una capa alrededor del hardware que ofrece una máquina abstracta (o extendida) más cómoda, ocultando lo incómodo y añadiendo lo que falta (archivos, procesos, ventanas…).

Respuesta: Un intérprete de comandos (CLI o shell) · Una interfaz gráfica de ventanas (GUI) · Una interfaz natural por voz o por tacto (NUI) · Una API de llamadas al sistema para los programas

CLI, GUI, NUI y API son las cuatro caras de la interfaz del SO. Los programas de usuario, por útiles que sean, no son interfaces del SO.

Respuesta: shell

Es el shell (intérprete de comandos, la CLI). En unos SO va dentro del núcleo y en otros es un programa del sistema; bash es un shell concreto.

• Usuarios en general → Entorno de ejecución
• Administradores → Entorno de administración
• Desarrolladores → Interfaz de programación

Quien usa el ordenador necesita ejecutar programas; quien lo administra, configurarlo; quien programa, una API (las llamadas al sistema).

• Usabilidad → Guardar un archivo con un clic es más cómodo que mover el cabezal del disco
• Seguridad → Los programas no pueden aprovechar directamente los puntos débiles del hardware
• Portabilidad → El mismo programa funciona con un disco SSD o con uno mecánico
• Interoperabilidad → Dos sistemas que usan la misma interfaz pueden intercambiar información
• Mantenibilidad → Se mejora el SO sin obligar a reescribir los programas de usuario

Son los beneficios de los apuntes (el sexto, productividad, es la suma de todos). La interfaz no hace el hardware más rápido: añade una capa, así que si acaso cuesta un poco.

Respuesta: Un servicio público del núcleo que un programa pide a través de la API del SO, normalmente mediante una biblioteca

El SO ofrece a desarrolladores y procesos un conjunto de servicios públicos accesibles mediante una API: eso son las llamadas al sistema. Normalmente no se invocan a pelo, sino a través de las bibliotecas del sistema (libc en C).

El argumento fd es el descriptor que indica en qué archivo o dispositivo se escribe; buffer señala la zona de memoria donde están los datos; size dice cuántos bytes hay que escribir, y n recibe el número de bytes escritos.

Son los tres parámetros de write() y su resultado. Que devuelva los bytes escritos importa: puede escribir menos de los que pediste y tu programa debería comprobarlo.

Respuesta: Multiprogramación · Memoria virtual · Sistemas de archivos · Control de acceso concurrente

Los hitos del SO son ideas del propio software: multiprogramación, paginación, memoria virtual, sistemas de archivos, interfaz uniforme con la E/S, control de acceso concurrente y protección y seguridad. Lo que es hardware o lenguajes no cuenta.

Respuesta: La memoria virtual

Clave para no confundirlas: paginación = trocear en páginas y colocarlas en huecos distintos de la memoria principal; memoria virtual = no hace falta tenerlo todo en memoria principal, porque la secundaria sirve de extensión.

Respuesta: Paginación

Trozos iguales (páginas) en huecos no contiguos de la memoria principal: paginación. Si en el enunciado aparece la memoria secundaria o la caché, desconfía.

El SO ofrece a los desarrolladores la misma API para trabajar con cualquier dispositivo. Por dentro, cada dispositivo tiene su manejador (driver), que trabaja sin que el usuario final lo note. Así el mismo código sirve para periféricos distintos, con lo que se gana portabilidad, y como se puede prohibir el acceso directo a los dispositivos, hay más seguridad.

Es la independencia del dispositivo: abstracción de los detalles de cada periférico, portabilidad, adaptación a periféricos futuros y seguridad. Tu programa hace write() igual sobre un pendrive que sobre un SSD.

Respuesta: El control de acceso concurrente

El control de acceso concurrente existe precisamente porque hay recursos que no pueden usar varios procesos a la vez. En el Tema 8 (concurrencia) verás cómo se implementa.

La política debe optimizar el rendimiento del sistema, repartir con justicia (sin acaparamientos ni inanición de los procesos perjudicados) y garantizar la seguridad: confidencialidad, integridad y disponibilidad.

Rendimiento, justicia y seguridad (CIA). Ojo: entran en conflicto. Si le das toda la CPU al compilador para que acabe antes (rendimiento), Spotify se queda sin turno (justicia).

• Confidencialidad → Nadie más puede leer los apuntes que guardas en tu carpeta
• Integridad → El PDF descargado llega igual que el original, sin corromperse
• Disponibilidad → El campus virtual sigue funcionando la noche antes de la entrega

Confidencialidad = privacidad; integridad = la información no se corrompe ni se degrada; disponibilidad = el sistema sigue dando servicio. Arrancar rápido es rendimiento, no seguridad.

Respuesta: A qué proceso se le da cada recurso, cuánto, en qué momento y durante cuánto tiempo

Las políticas reparten recursos entre procesos: a cuál, cuánto, cuándo y cuánto tiempo. Cambiar «proceso» por «usuario» es una trampa típica.

Respuesta: Los procesos · La memoria · Los archivos y el almacenamiento masivo · Los dispositivos de entrada/salida y la caché · La protección y la seguridad

La lista de los apuntes: procesos, memoria, archivos, almacenamiento masivo, caché, dispositivos de E/S y protección y seguridad. Los Temas 6 a 11 son uno a uno estos gestores.

Respuesta: Cuando un proceso se bloquea esperando su E/S, la CPU ejecuta instrucciones de otro · La CPU y los dispositivos de E/S trabajan al mismo tiempo, y se terminan más trabajos en menos tiempo · También se conoce como multitarea

La idea: aprovechar las esperas de E/S. Los procesos se ejecutan de forma concurrente (entrelazados), no en paralelo. Mira el simulador de la teoría: con el mismo trabajo de CPU, de un 39 % a un 74 % de uso.

La CPU ocupada no cambia: 30 + 30 + 20 + 20 = 100 ms en los dos casos.

Uno detrás de otro: A tarda 30 + 30 + 30 = 90 ms y después B tarda 20 + 20 + 20 = 60 ms; total 150 ms y uso 100 / 150 = 66,7 % ≈ 67 %.

Multiprogramada (el dibujo es la CPU): A usa la CPU de 0 a 30 y se va a su E/S hasta 60. B entra de 30 a 50 y se va a su E/S hasta 70. De 50 a 60 la CPU queda libre: los dos esperan su E/S. A vuelve de 60 a 90; B, listo desde 70, espera y entra de 90 a 110. Total 110 ms y uso 100 / 110 = 90,9 % ≈ 91 %.

Cuando la CPU queda libre, hay que elegir a qué proceso se le da: es la planificación de la CPU. Los procesos compiten por el consumo de la memoria, y hay que garantizar la protección de las zonas privadas de cada uno. Además aparecen conflictos al acceder a la vez a los recursos y el riesgo de interbloqueo (deadlock).

Con un solo programa no hay a quién elegir, ni con quién compartir la memoria, ni nadie que pueda pisarte. Con varios aparecen planificación, reparto y protección de la memoria, conflictos e interbloqueos.

Respuesta: Un programa y dos procesos

Programa = colección de instrucciones (entidad pasiva). Proceso = programa en ejecución (entidad activa). Un mismo programa puede dar lugar a varios procesos. (En la práctica VS Code crea además procesos auxiliares, pero la idea es esta.)

• Procesamiento por lotes → Ejecuta trabajos uno tras otro sin que el usuario intervenga
• Tiempo compartido → Los procesos se turnan en la CPU en rodajas cortas para dar interactividad
• Tiempo real → Cada tarea tiene que terminar antes de un plazo fijado
• Multiusuario → Distingue perfiles de acceso con privilegios distintos
• Distribuido → Varios ordenadores en red que se usan como si fueran uno solo

Lotes: secuencial y desasistido. Tiempo compartido: rodajas de tiempo e interactividad. Tiempo real: plazos. Multiusuario: perfiles y privilegios. Distribuido: muchos equipos en red usados como uno.

• V — Los primeros sistemas operativos, a principios de los años 50, eran de procesamiento por lotes.
• F — En un sistema por lotes, el usuario interactuaba con su programa mientras se ejecutaba.
• V — Un móvil que usa una sola persona puede ejecutar varias apps a la vez: es multitarea sin ser multiusuario.
• F — Un sistema de tiempo real crítico, como el que controla un avión, suele apoyarse en la memoria virtual para tener más memoria.
• V — Servicios como Dropbox tienen características de sistema distribuido, aunque no exista un sistema distribuido universal.

En los lotes no había interacción: ese fue el avance del tiempo compartido. Los sistemas de tiempo real críticos suelen prescindir de lo que hace impredecibles los tiempos, como la memoria virtual (traer una página del disco tarda). Y multitarea ≠ multiusuario.

• SMP → Cualquier tarea puede ejecutarse en cualquier procesador
• AMP → Los procesadores se especializan: por ejemplo, uno ejecuta el SO y los demás los procesos de usuario
• UMA → Todos los procesadores comparten una memoria con el mismo tiempo de acceso
• NUMA → Cada procesador tiene su memoria; acceder a la de otro es más lento

SMP/AMP hablan de cómo se reparten las tareas (simétrico o asimétrico); UMA/NUMA, de cómo se accede a la memoria (uniforme o no).

Respuesta: Crear entornos protegidos y aislados entre sí · Escribir y probar aplicaciones para un hardware que no tienes · Seguir usando sistemas antiguos, como juegos de consolas con un emulador · Conseguir independencia de la plataforma, como hace Java

Una máquina virtual emula por software una máquina física. Ventaja: no necesitas el sistema original. Inconveniente: va más lenta.

Respuesta: JCL

JCL, Job Control Language: con él se describía cada trabajo del lote (qué programa, qué datos, qué hacer con la salida).

Orden correcto:

1. Tu proceso llama a write() de la biblioteca del sistema
2. La biblioteca prepara los argumentos y hace la llamada al sistema
3. El núcleo comprueba el descriptor y los permisos
4. El manejador del dispositivo escribe los bytes en el disco
5. write() devuelve a tu proceso el número de bytes escritos

Tu programa nunca toca el disco: pide y espera. Biblioteca → núcleo (que comprueba antes de hacer nada) → manejador del dispositivo → resultado de vuelta. Es la interfaz del SO en acción.

Respuesta modelo:

Un sistema operativo es el software que gestiona el hardware de un ordenador y proporciona un entorno de ejecución a las aplicaciones de los usuarios. Se sitúa entre el hardware y las aplicaciones, y su parte central, el núcleo, está en ejecución en todo momento.

Como interfaz, el SO es una capa que envuelve al hardware y ofrece una máquina abstracta o extendida: oculta los detalles incómodos del hardware y añade características que este no tiene, como archivos o procesos. Ofrece interfaces a cada tipo de usuario (GUI y NUI, CLI o shell, y la API de llamadas al sistema), y con ello gana usabilidad, seguridad, portabilidad, interoperabilidad, mantenibilidad y productividad.

Como gestor de recursos, el SO actúa de árbitro: los recursos son escasos y los procesos compiten por ellos, así que decide a qué proceso le da cada recurso, cuánto, cuándo y durante cuánto tiempo. Sus políticas buscan rendimiento, justicia y seguridad (confidencialidad, integridad y disponibilidad), criterios que entran en conflicto.

Una buena respuesta no se queda en la definición: explica las dos visiones con un ejemplo de cada una.

Respuesta modelo:

La multiprogramación (o multitarea) consiste en tener varios procesos cargados en memoria a la vez para que, cuando uno se bloquea esperando una operación de E/S, la CPU ejecute instrucciones de otro. Con una sola CPU los procesos no se ejecutan en paralelo, sino de forma concurrente: entrelazan su ejecución.

Mejora el uso de la CPU porque rellena los huecos que dejan las esperas de E/S: la CPU y los dispositivos trabajan al mismo tiempo y se terminan más trabajos en menos tiempo. Por ejemplo, tres programas con 140 ms de CPU tardan 360 ms uno detrás de otro (39 % de uso) y 190 ms multiprogramados (74 %).

A cambio, aparecen problemas que no existen con un solo programa: elegir a qué proceso se da la CPU cuando queda libre (planificación), repartir la memoria entre procesos, proteger la zona privada de cada uno (y la del propio SO), resolver los conflictos al acceder a la vez a los recursos y evitar los interbloqueos.

Si das números, que cuadren: la CPU ocupada no cambia, lo que baja es el tiempo total.

Respuesta modelo:

La paginación divide un programa en trozos pequeños del mismo tamaño, las páginas, que se pueden colocar en zonas diferentes de la memoria principal, que también está dividida en trozos de ese tamaño. Así un programa no necesita un hueco contiguo enorme: aprovecha los huecos libres que haya.

La memoria virtual va un paso más allá: el programa no necesita estar cargado entero en memoria principal para ejecutarse. Las partes que no se usan se quedan en el almacenamiento secundario (el disco), que hace de extensión de la memoria principal, y se traen cuando hacen falta.

Las dos son hitos porque permitieron ejecutar más programas y más grandes con la misma memoria, y lo resuelven automáticamente, sin que el usuario ni el programador tengan que intervenir.

La pista para no mezclarlas: la paginación solo habla de la memoria principal; la memoria virtual mete en juego el disco.

Respuesta modelo:

Los sistemas por lotes fueron los primeros (principios de los años 50). Su objetivo era automatizar la ejecución de trabajos y aumentar el uso del procesador: los trabajos se agrupaban en lotes y se ejecutaban uno detrás de otro, sin intervención del usuario. Las tareas se describían con JCL, y a finales de los 60 se les añadió multiprogramación.

Los de tiempo compartido (inventados en los 50 y comercializados en los 60) buscaban la interactividad: cada proceso recibe una pequeña rodaja de tiempo periódica y los procesos se turnan en la CPU. Si la rodaja es de pocos milisegundos, el usuario no nota las pausas y además el sistema se puede compartir entre muchos usuarios.

Los de tiempo real buscan que cada tarea termine dentro de un plazo prefijado (control industrial, multimedia), con algoritmos de planificación especiales. En los críticos, como un sistema empotrado de un coche, un plazo incumplido es un fallo, y suelen prescindir de servicios que hacen impredecibles los tiempos, como la memoria virtual.

Una tabla de tres columnas (objetivo, reparto de la CPU, ejemplo) en el examen también vale si la acompañas de un par de frases.