Antes de continuar la discusión sobre la forma en que el sistema operativo gestiona los procesos, hace falta distinguir entre el modo de ejecución del procesador que normalmente se asocia con el sistema operativo y el modo que normalmente se asocia con los programas de usuario. Ciertas instrucciones máquina pueden ejecutarse sólo en modo privilegiado. Entre éstas están la lectura o modificación de registros de control (como la palabra de estado), instrucciones primitivas de E/S e instrucciones relativas a la gestión de memoria. Y solamente se puede acceder a ciertas zonas de memoria en el modo privilegiado. El modo de menor privilegio se conoce como modo usuario, y el de mayor privilegio como modo de sistema, supervisor o núcleo.

La razón por la que se usan dos modos debe quedar clara. Es necesario proteger al sistema operativo y a las estructuras de datos importantes, tales como los bloques de control de procesos, de las inferencias de los programas de usuario. En el modo núcleo o privilegiado, el software tiene control completo del procesador y de todas las instrucciones, registros y memoria.

Surgen dos preguntas: ¿cómo conoce el procesador en qué modo va a ejecutar?, ¿cómo se cambia de modo? Para la primera pregunta, hay un bit en la PSW( palabra de estado ), que indica el modo de ejecución. El bit se cambia como respuesta a ciertos sucesos tales como una llamada al sistema y, así, se cambia de modo.

A primera vista, la función de cambio de proceso parece sencilla. En cierto momento, un proceso que se está ejecutando se interrumpe, el sistema operativo pone a otro proceso en el estado de ejecución y pasa el control a dicho proceso. Sin embargo, surgen diversas cuestiones de diseño. En primer lugar, ¿qué sucesos provocan un cambio de proceso? Otra cuestión es que se debe hacer una distinción entre cambio de contexto y cambio de proceso. Por último, ¿qué debe hacer el sistema operativo con las diferentes estructuras de datos bajo su control para llevar a cabo un cambio de proceso?

Un cambio de proceso puede suceder en cualquier instante en el que el sistema operativo gana el control de la CPU.

En primer lugar, se van a tener en cuenta las interrupciones del sistema. Se pueden distinguir dos clases de interrupciones del sistema. La primera es originada por algún tipo de suceso que es externo e independiente del proceso que se está ejecutando, como la culminación de una E/S. La segunda tiene que ver con una condición de error o excepción generada dentro del proceso que se está ejecutando, como un intento ilegal de acceso a un fichero, una división entre cero, una instrucción máquina con código de operación no contemplado. En una interrupción ordinaria, el control se transfiere primero al gestor de interrupciones, quien lleva a cabo algunas tareas básicas y, después, se salta a la rutina del sistema operativo que se ocupa del tipo de interrupción que se ha producido. Algunos ejemplos de estas interrupciones son:

En una interrupción del segundo tipo, el sistema operativo determina si el error es fatal. Si lo es, el proceso que se estaba ejecutando es eliminado, y se produce un cambio de proceso. Si no es fatal, la acción del sistema operativo dependerá de la naturaleza del error y del diseño del sistema operativo. Se puede hacer un cambio de proceso o, simplemente, reanudar el mismo proceso que se estaba ejecutando.

Finalmente, el sistema operativo puede activarse mediante una llamada al sistema desde el programa que se está ejecutando. Por ejemplo, está ejecutándose un proceso de usuario y se llega a una instrucción que solicita una operación de E/S, tal como abrir un fichero. Esta llamada provoca la transferencia a una rutina que forma parte del código del sistema operativo. Por lo general (aunque no siempre) el uso de una llamada al sistema hace que el proceso de usuario pase al estado bloqueado.

Si existe una interrupción pendiente es necesario:

Así pues, el cambio de proceso, que implica un cambio de contexto, requiere un esfuerzo considerablemente superior al de un cambio de contexto.

El concepto de proceso es más complejo y sutil que el presentado hasta ahora. Engloba dos conceptos separados y potencialmente independientes: uno relativo a la propiedad de recursos y otro que hace referencia a la ejecución.

En la mayoría de los sistemas operativos, estas dos características son, de hecho, la esencia de un proceso. Sin embargo, son independientes, y pueden ser tratadas como tales por el sistema operativo. Esta distinción ha conducido en los sistemas operativos actuales a desarrollar la construcción conocida como thread, cuyas traducciones más frecuentes son hilo, hebra y proceso ligero. Si se tiene esta división de características, la unidad de asignación de la CPU se conoce como hilo, mientras que a la unidad que posee recursos se le llama proceso.

Dentro de un proceso puede haber uno o más hilos de control cada uno con:

Los beneficios clave de los hilos se derivan de las implicaciones del rendimiento: se tarda menos tiempo en crear un nuevo hilo de un proceso que ya existe, en terminarlo, y en hacer un cambio de contexto entre hilos de un mismo proceso. Al someter a un mismo proceso a varios flujos de ejecución se mantiene una única copia en memoria del código, y no varias.

Un ejemplo de aplicación que podría hacer uso de los hilos es un servidor de ficheros de una red de área local. Cada vez que llega una solicitud de una operación sobre un fichero, se puede generar un nuevo hilo para su gestión. El servidor gestiona multitud de solicitudes, por tanto, se pueden crear y destruir muchos hilos en poco tiempo para dar servicio a estas peticiones. Si el servidor es un multiprocesador, se pueden ejecutar varios hilos de un mismo proceso simultáneamente y en diferentes procesadores.