Sistemas Operativos. Características de la Multiprogramación. Interacción entre Procesos. Características de la Multiprogramación

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1 Universidad Simón Bolívar Departamento de Electrónica y Circuitos EC3731 Arquitectura del Computador II Prof. Osberth De Castro Prof. Juan C. Regidor Sistemas Operativos Concurrencia y Sincronización de Procesos (1) Interacción entre Procesos e Hilos: Concurrencia, paralelismo y Sincronización. Problemas asociados: Exclusión Mutua, Interbloqueo e Inanición. Modelos de aproximación estándar: Sección Crítica, Productor/ Consumidor y Lectores/Escritores. Soluciones por software. Soluciones por hardware. Características de la Multiprogramación Muchos procesos ejecutándose en paralelo (real o aparente). La velocidad de ejecución relativa de los procesos se desconoce. El resultado de un proceso debe ser independiente de la velocidad relativa. Limitada existencia de recursos físicos. Es inevitable la interacción entre procesos. Soluciones mixtas. Basado en S.O. de William Stallings / 5ed. y S.O. de Jesús Carretero (y otros). Características de la Multiprogramación Interacción entre Procesos Tipo de Interacción Difícil de programar consistentemente. Mejora el rendimiento y estructura interna de las aplicaciones. Mejora el rendimiento externo (entre aplicaciones) en el uso de los recursos físicos. Modulariza la programación. Universidad Simón Bolívar 2 Universidad Simón Bolívar Situación Influencia entre los procesos Se afectan los tiempos. Resultados IndependienLos procesos no se conocen Competencia tes. Competencia por entre sí. recursos generales del S.O. Se afectan los tiempos. Los procesos se conocen Resultados dependientes indirectamente (por ejemplo, se del trabajo de varios Cooperación por sabe que existen varios procesos procesos. compartición usando un recurso compartido, Competencia por como espacios de memoria). recursos específicos fuera del S.O. Los procesos se conocen directamente (por ejemplo, que Cooperación por procesos deben trabajar juntos, Comunicación sincronizadamente, comunicándose entre sí). Universidad Simón Bolívar Se afectan los tiempos. Resultados dependientes del trabajo de varios procesos. Orden estricto de tareas.

2 Interacción entre Procesos En la mayoría de los casos reales se presentan los tres tipos de interacción solapados. Toda interacción está relacionada con la compartición de recursos de algún tipo. Universidad Simón Bolívar 5 Interacción y Recursos Recursos Reutilizables: normalmente son asignados por el S. O. Memoria Periféricos Archivos Recursos Consumibles: son manejados por los procesos y el S.O. Información de comunicación entre procesos. Datos y variables con tiempo de vida limitado. Datos producidos y destruidos o consumidos por los procesos. Universidad Simón Bolívar 6 Ejemplo de Interacción 1 Int chin, chout; Void P1(void){ chin = getchar()/*a*/; chout = chin; putchar(chout); Void P2(void){ chin = getchar()/*b*/; chout = chin; putchar(chout); Void main(void){ crearyejecutar(p1, P2); 1) chin = a 5) chout = b Ambos 6) pantalla procesos = b leen un carácter del teclado con getchar() y luego lo muestran 2) chin = b en pantalla con putchar(). 3) chout = b 4) pantalla: b En vez de mostrarse a y luego b, se muestra b dos veces, perdiéndose a Asignación y Liberación de Recursos El programa de un proceso P solicita el acceso a un recurso y el dueño del recurso permite o no este acceso. El acceso al recurso es una porción de código de P que usa el recurso. Una solicitud es una petición de permiso para ejecutar esa porción de código. El código del proceso P libera el recurso cuando termina la porción de código que lo usa. El S. O. puede decidir la liberación d e l r e c u r s o abortando el proceso P /* Programa de proceso P */ Funcion_proceso(){... Solicitar_acceso(recurso_a);... j = usar(recurso_a);... Liberar_acceso(recurso_a);... Universidad Simón Bolívar 7 Universidad Simón Bolívar 8

3 Interacción - Problemas de Control Exclusión Mutua Si hay competencia por un recurso, sólo un proceso puede obtenerlo y los otros deben esperar por él. Debe ser garantizada. Interbloqueo: Dos ó mas procesos se bloquean indefinidamente en espera de una asignación imposible de recursos. Solo se resuelve si uno de los procesos es abortado externamente. Se debe evitar. Inanición: Un proceso nunca recibe un recurso que necesita para continuar, debido a complejas interacciones y prioridades de los otros procesos. Se debe evitar. Exclusión Mutua Se define como Secciones Críticas aquellos segmentos de un programa que soliciten y usen un recurso compartido. Solo un proceso puede entrar a la Sección Crítica por vez. Un Sección Crítica debe ser ejecutada en un tiempo finito. Cuando ningún proceso esté dentro de su Sección Crítica, cualquier otro proceso que solicite entrada deberá poder hacerlo sin esperas. Toda implementación debe ser libre de suposiciones sobre velocidades relativas de los procesos. Debe evitarse el Interbloqueo y la Inanición. Universidad Simón Bolívar 9 Universidad Simón Bolívar 10 Exclusión Mutua - Modelos de Control Exclusión Mutua - Soluciones e Implementaciones Sección Crítica: Problema básico de Exclusión Mutua. Dos o mas procesos desean acceder a un recurso cualquiera. Productor-Consumidor: dos tipos de procesos: PP (productores) y PC (consumidores). Los productores colocan datos en un recurso compartido, los consumidores los extraen. Lectores-Escritores: dos tipos de procesos: PL (lectores) y PE (escritores). Los Lectores solicitan acceso al recurso sólo para lectura, y los Escritores para lectura/escritura. P1 P2 PP1 PP2 PL2 PL1 Recurso compartido Buffer d 2 d 1 d 2 PL3 d 1 Recurso Compartido PE1 PE2 PC1 PC2 Soluciones por Software Los procesos resuelven los problemas de concurrencia con controles propios en sus programas, sin soporte del Sistema Operativo, ni de Hardware. Algoritmos complicados y estructuras de datos propias. Soluciones por Hardware Deshabilitación de interrupciones. Instrucciones especiales del procesador. Soluciones Mixtas del Sistema Operativo Mecanismos de Software/Hardware en la forma de funciones y estructuras de datos propias del Sistema Operativo. Los procesos pueden usar estos mecanismos estándar para manejar los problemas de interacción. Universidad Simón Bolívar 11 Universidad Simón Bolívar 12

4 Soluciones por Software Primer intento Soluciones por Software Primer intento Espera ocupada Garantiza la exclusión mutua El proceso verifica continuamente si puede entrar en la sección crítica El proceso no puede hacer nada productivo hasta obtener el permiso para entrar en la sección crítica Problemas: Los procesos deben alternarse estrictamente en el uso de la sección crítica: el proceso más lento dicta el ritmo de la ejecución Si un proceso falla (dentro o fuera de la sección crítica), el otro se bloquea permanentemente Universidad Simón Bolívar 13 Universidad Simón Bolívar 14 Soluciones por Software Segundo intento Cada proceso puede examinar el estado del otro, pero no puede alterarlo Cuando un proceso quiere entrar a la sección crítica, examina al otro primero Si el otro proceso no está en la sección crítica, coloca su propio estado en la s. c. Soluciones por Software Segundo intento Problemas: Este método no garantiza la exclusión mutua Ambos procesos puede verificar las banderas y entrar a la sección crítica al mismo tiempo Universidad Simón Bolívar 15 Universidad Simón Bolívar 16

5 Soluciones por Software Tercer intento Cada proceso cambia su estado antes de revisar al otro Se garantiza la exclusión mutua Un proceso que falle fuera de su sección crítica no bloquea al otro Soluciones por Software Tercer intento PROCESO 0 * * señal[0] := cierto; while señal[1] do { nada ; <sección crítica> señal[0] := falso; * PROCESO 1 * * señal[1] := cierto; while señal[0] do { nada ; <sección crítica> señal[1] := falso; * Problema: Ambos procesos podrían colocar su bandera en cierto simultáneamente y quedar atrapados en el lazo while => Interbloqueo Universidad Simón Bolívar 17 Universidad Simón Bolívar 18 Soluciones por Software Cuarto intento En el tercer intento, el interbloqueo se produce porque cada proceso insiste en su derecho a entrar en la sección crítica Una modificación posible es hacer que los procesos sean más educados : Deben activar su bandera para indicar que desean entrar en la sección crítica, pero deben estar listos para desactivar su bandera y ceder la preferencia al otro proceso. Se garantiza la exclusión mutua Universidad Simón Bolívar 19 Soluciones por Software Cuarto intento Problema: Es posible un bloqueo de mutua cortesía. Aunque es probable que la situación no dure indefinidamente, es algo indeseable Universidad Simón Bolívar 20

6 Soluciones por Software Solución correcta Soluciones por Software Algoritmo de Dekker Se puede usar la variable turno del primer intento como árbitro Un proceso activa su bandera y verifica la del otro y el valor de turno. Si determina que le corresponde el turno, insiste en mantener su bandera activa, pero la desactiva en caso contrario boolean flag [2]; int turn; /* Bandera: estoy en SC*/ /* Indicador de Turno*/ void P0(){ while (true){ flag [0] = true; while (flag [1]) if (turn == 1){ flag [0] = false; while (turn == 1) {/* espera activa */; flag [0] = true; /* Sección Crítica */; turn = 1; flag [0] = false; /* Resto del Programa */; void P1(){ while (true){ flag [1] = true; while (flag [0]) if (turn == 0){ flag [1] = false; while (turn == 0) {/* espera activa */; flag [1] = true; /* Sección Crítica */; turn = 0; flag [1] = false; /* Resto del Programa */; Universidad Simón Bolívar 21 void main (){ flag [0] = false; flag [1] = false; turn = 0; parbegin (P0, P1); Universidad Simón Bolívar 22 Soluciones por Software Algoritmo de Peterson boolean flag [2]; /* Bandera: estoy en SC*/ int turn; /* Indicador de Turno*/ Void P0(){ flag[0] = 1; turn = 1; while( flag[1] && turn == 1 ) {/* espera activa */; /* Sección Crítica */ flag[0] = 0 /* Resto del Programa */ void main (){ flag [0] = false; flag [1] = false; turn = 0; parbegin (P0, P1); Void P1(){ flag[1] = 1 turn = 0 while( flag[0] && turn == 0 ) {/* espera activa */; /* Sección Crítica */ flag[1] = 0 /* Resto del Programa */ Universidad Simón Bolívar 25 Soluciones por Software - Conclusiones Son difíciles de Implementar y comprobar. La evaluación misma de variables de turno y de bandera presentan características de Sección Crítica. Muestran la necesidad de que ciertas operaciones básicas, se realicen de manera atómica (sin interrupciones en su implementación): Verificación de variables (while, if, etc.). Movimientos de datos entre variables en memoria (a=b). Universidad Simón Bolívar 26

7 Soluciones por Hardware Deshabilitación de Interrupciones Instrucciones especiales de máquina (conjunto de instrucciones del Procesador). Soluciones por Hardware Deshabilitación de Interrupciones Deshabilitación de Interrupciones /* Sección no crítica */... <Deshabilitar interrupciones> /* Sección Crítica */ <Habilitar interrupciones>... /* Sección no crítica*/ Ventajas: Garantiza la exclusión mutua en un sistema de un solo procesador Desventaja: disminuye la eficiencia en la intercalación de programas cuando hay secciones críticas involucradas, pues se inhibe la acción del despachador Universidad Simón Bolívar 27 Universidad Simón Bolívar 28 Soluciones por Hardware Instrucciones de Máquina Instrucciones del ISA que realizan tareas relacionadas con la verificación y/o escritura de variables, visibles desde HLL. Ventaja inicial: Garantizan la exclusión mutua durante una verificación de variables dado que son instrucciones de máquina, que no son interrumpidas hasta que terminan. Desventaja inicial: No garantiza la exclusión mutua de una sección crítica. Esto depende del buen uso de las instrucciones. TEST & SET EXCHANGE (SWAP) boolean testset(int i){ if (i == 0){ i = 1; return(true); else return(false); Void exchange (int reg, int mem) { int temp; temp = memoria; memoria = registro; registro = temp; Universidad Simón Bolívar 29 Soluciones por Hardware Instrucciones de Máquina Solución a problema de Sección Crítica con instrucciones especiales /* Solución utilizando TEST&SET */ Const int n = /* numero de procesos*/ int cerrojo; void p(int i){ while (true){... while (testset(cerrojo)) /* Espera activa */; /* Sección Crítica */ cerrojo = 0;... void main(){ cerrojo = 0; parbegin(p(1),p(2),p(3), P(n)) /* Solución utilizando EXCHANGE */ Const int n = /* numero de procesos*/ int cerrojo; void p(int i){ int llavei = 1; while (true){... do {exchange(llavei, cerrojo); /* Espera activa */; while (llavei = 0) /* Sección Crítica */ exchange(llavei, cerrojo);... void main(){ cerrojo = 0; parbegin(p(1),p(2),p(3), P(n)) Universidad Simón Bolívar 30

8 Soluciones Hardware Ventajas Soluciones Hardware Desventajas Aplicable en todos los casos de Multiprogramación. Mucho mas simple que las soluciones por software. Fácil de verificar. Múltiples secciones críticas pueden usar múltiples variables de control (cerrojos). Se usa espera activa: Ineficiencia de uso del. Posible Inanición, cuando hay mas de un proceso esperando que otro salga de la S.C., pues no está definido un mecanismo para saber a quién le toca. Algún proceso podría esperar indefinidamente. Posible Interbloqueo: si existe sistema de prioridades, porque un proceso de alta prioridad podría quedar esperando que salga uno de baja prioridad de su S.C. Como el que espera es prioritario, el de baja prioridad nunca termina su S.C. pues nunca se le da el. Universidad Simón Bolívar 31 Universidad Simón Bolívar

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