Concurrencia: deberes. Concurrencia: Exclusión Mutua y Sincronización. Concurrencia. Dificultades con la Concurrencia

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1 Concurrencia: deberes Concurrencia: Exclusión Mutua y Sincronización Capítulo 5 Comunicación entre procesos Compartir recursos Sincronización de múltiples procesos Asignación del tiempo de procesador Concurrencia Aplicación Múltiple Multiprogramación Aplicación Estructurada La aplicación puede ser un conjunto de procesos concurrentes Estructura del Sistema Operativo Al sistema operativo es un conjunto de procesos o threads (microkernel) Dificultades con la Concurrencia Compartir recursos globales Gestión de asignación de recursos Errores de programación difíciles de localizar

2 Un Ejemplo Simple void echo() { chin = getchar(); chout = chin; putchar(chout); Un Ejemplo Simple Proceso P1 Proceso P2.. chin = getchar();.. chin = getchar(); chout = chin; chout = chin; putchar(chout);.. putchar(chout);.. Ocupaciones del Sistema Operativo Seguir la pista a los procesos activos Asignar y liberar recursos Tiempo del procesador Memoria Ficheros Dispositivos de E/S Proteger datos y recursos El resultado de un proceso debe ser independiente de la velocidad de ejecución de cualquier otro proceso concurrente Interacción entre Procesos Los procesos se ignoran unos a otros Los procesos se dan cuenta indirectamente de los otros Los procesos son conscientes de los otros directamente

3 Competencia entre Procesos por los Recursos Exclusión Mutua Secciones críticas En cada momento sólo se permite a un programa estar en una sección crítica Por ejemplo, en un momento dado, sólo se permite a un proceso enviar comandos a la impresora Interbloqueo (deadlock) Inanición (starvation) Cooperación entre Procesos mediante la Compartición La escritura debe ser exclusiva (mutuamente) Las secciones críticas se usan para asegurar la integridad de los datos Cooperación entre Procesos mediante la Comunicación Los mensajes son permisos La exclusión mutua no es una necesidad de control Posible interbloqueo Cada proceso espera un mensaje del otro proceso Posible inanición Dos procesos envían mensajes uno al otro mientras un tercero espera un mensaje que no llega Requisitos para la Exclusión Mutua En cada momento sólo se la permite a un proceso estar en sección critica para un recurso pero no sólo esto!!!, sino además: Un proceso que termina en su sección nocrítica debe hacerlo sin interferir con otros procesos No interbloqueo o inanición

4 Requisitos para la Exclusión Mutua Un proceso no debe ser demorado en su acceso a la sección crítica cuando no hay otro proceso usándola No se debe asumir nada relativo a la velocidad de los procesos o el número de ellos Un proceso permanece en su sección crítica por un tiempo finito Exclusión Mutua: Software Alg. Dekker: Primera Tentativa Ocupado Esperando El proceso chequea continuamente si puede entrar en la sección crítica El proceso no puede hacer nada productivo hasta que obtiene permiso para entrar en su sección crítica Corutina Diseñada para ser capaz de transmitir el control de ejecución de acá para allá entre ellos Inadecuada para dar soporte al procesamiento concurrente Exclusión Mutua: Software Alg. Dekker: Segunda Tentativa Cada proceso puede examinar el estado de otro pero no puede alterarlo Cuando un proceso quiere entrar en la sección crítica primera comprueba el estado de los otros procesos Si ningún otro proceso esta en sección crítica, activa sus flag de estado para la sección crítica Este método no garantiza la exclusión mutua Cada proceso puede comprobar su flag y proceder a la entrada en la sección critica al mismo tiempo

5 Exclusión Mutua: Software Alg. Dekker: Tercera Tentativa Activar el flag para entrar en sección crítica antes de comprobar el resto de procesos Si algún proceso está en la sección crítica cuando el flag está activado, el proceso se bloquea hasta que el otro proceso sale de la sección crítica El interbloqueo es posible cuando dos procesos activan sus flags para entrar en sección crítica y luego deben esperar a que el otro salga de la sección crítica Exclusión Mutua: Software Alg. Dekker: Cuarta Tentativa Un proceso activa su flag para indicar su deseo de entrar en su sección crítica pero está preparado para desactivar el flag Se comprueban los otros procesos. Si alguno está en sección crítica, el flag se desactiva y más tarde se vuelve a activar para indicar su intención de entrar en región crítica. Esto se repite hasta que el proceso finalmente entra en su región crítica Exclusión Mutua: Software Alg. Dekker: Cuarta Tentativa Es posible que todos los procesos activen sus flags, comprueben los otros procesos y desactiven sus flags. Pero esto no dura mucho tiempo, por eso no se considera interbloqueo aunque este retraso es injustificable Exclusión Mutua: Software Alg. Dekker: Solución Correcta Cada proceso obtiene un turno para su sección crítica Si un proceso quiere entrar en su sección crítica, activa un flag y espera su turno

6 Exclusión Mutua: Soporte Hardware Inhibición de Interrupciones Un proceso se ejecuta hasta que invoca un servicio del sistema operativo o hasta que es interrumpido Inhibir las interrupciones garantiza la exclusión mutua Se limita la habilidad del procesador para entrelazar los programas Multiprocesadores inhibir las interrupciones en un procesador no garantiza la exclusión mutua Sólo un tipo de sección critica, no una para cada recurso Exclusión Mutua: Soporte Hardware Instrucciones máquina especiales Se realizan en un ciclo de reloj No está sujeta a interferencias de otras instrucciones Lectura y escritura Lectura y comprobación Exclusión Mutua: Soporte Hardware Instrucción Test and Set (comprueba y activa) boolean testset (int i) { if (i == 0) { i = 1; return true; else { return false; Exclusión Mutua: Soporte Hardware Instrucción de intercambio void exchange(int register, int memory) { int temp; temp = memory; memory = register; register = temp;

7 Instrucciones Máquina para la Exclusión Mutua Ventajas Aplicable a cualquier número de procesos sobre mono y multiprocesadores que comparten memoria principal Es simple y además fáciles de verificar Se pueden utilizar para dar soporte a múltiples secciones críticas Instrucciones Máquina para la Exclusión Mutua Inconvenientes La espera-activa consume tiempo del procesador Es posible la inanición si un proceso sale de la sección crítica y hay muchos esperando Interbloqueo Si un proceso de baja prioridad está en sección crítica y un proceso de mayor prioridad necesita entrar, el proceso de mayor prioridad obtendrá el procesador para esperar entrar en la sección crítica Semáforos El semáforo es un tipo de variable especial que se usa para la señalización Si un proceso está esperando una señal, se suspende hasta que se envía esa señal Las operaciones de espera y señalización no pueden ser interrumpidas Se usa una cola para que los procesos que esperen un semáforo Semáforos El semáforo es una variable que tiene un valor entero Debe inicializarse a un número no negativo Las operaciones de espera (wait) decrementan el valor del semáforo Las operaciones de señalización (signal) incrementan el semáforo.

8 El Problema del Productor/Consumidor Uno o más productores generan datos y los colocan en un buffer Un único consumidor extrae dichos datos del buffer uno a uno Sólo un productor o el consumidor puede acceder al buffer en cada instante Productor producer: while (true) { /* produce item v */ b[in] = v; in++; Consumidor consumer: while (true) { while (in <= out) /*do nothing */; w = b[out]; out++; /* consume item w */ Productor con Buffer Circular producer: while (true) { /* produce item v */ while ((in + 1) % n == out) /* do nothing */; b[in] = v; in = (in + 1) % n

9 Consumidor con Buffer Circular consumer: while (true) { while (in == out) /* do nothing */; w = b[out]; out = (out + 1) % n; /* consume item w */ Buffer infinito El Problema del Barbero

10 Monitores El Monitor es un módulo software Características principales Las variables locales son accedidas sólo por el monitor El proceso entra en el monitor invocando uno de sus procedimientos Sólo un proceso puede estar ejecutando el monitor en cada instante Pase de Mensajes Fuerza la exclusión mutua Intercambio de información send (destination, message) receive (source, message) Sincronización El emisor y el receptor puede o no bloquearse en espera Envío bloqueante, recepción bloqueante Ambos el emisor y el receptor se bloquean hasta que se entrega el mensaje Se le llama rendezvous (cita)

11 Sincronización Emisor no bloqueante, receptor bloqueante El emisor continua procesando tan rápido como el mensaje es enviado El receptor se bloquea hasta que llega el mensaje que solicitó Emisor y receptor no bloqueantes No se requiere que ninguna parte espere Direccionamiento Direccionamiento Directo la primitiva de envío incluye un identificador específico del proceso destinatario la primitiva de recepción puede saber con antelación de qué proceso espera el mensaje la primitiva de recepción puede usar el parámetro fuente para devolver un valor cuando la operación de recepción ha tenido lugar Direccionamiento Direccionamiento Indirecto los mensajes se envían a una estructura de datos compartida que consiste en colas estas colas se llaman mailboxes un proceso envía un mensaje al mailbox y el otro proceso recoge el mensaje del mailbox

12 Formato de Mensaje Problema del Lector/Escritor Un número indeterminado de lectores pueden leer un fichero simultáneamente Sólo un escritor puede escribir en el fichero cada vez Si un escritor está escribiendo en el fichero, ningún lector puede leerlo