Sistemas multiprogramados. Cooperan en realizar un trabajo: filtros. Comparten recursos del sistema

Transcripción

1 Introducción a los Sistemas Operativos Concurrencia 1. Introducción. Concurrencia y paralelismo. 2. Comunicación y sincronización. 3. Exclusión mutua y sincronización. 4. Modelos de programación. 5. Memoria Compartida. Postulados de Dijkstra. 6. Paso de mensajes. 7. Abrazo mortal (deadlock). Estado seguro. Bibliografía Silberschatz and Galvin Sistemas Operativos. Conceptos fundamentales. Parte I: Aspectos generales Birrell An Introduction to Programming with threads Digital SRC, Thuan Q.Pham and PanKaj K.Garg Multithreaded Programming with Win32 Prentice-Hall, PTR, En alabi: ~marisa/pub/concu_slides.ps o concu_slides.pdf Sistemas multiprogramados Varios procesos coexisten en el mismo tiempo en el sistema. Comparten recursos del sistema impresora red ficheros Participan en la realización de un trabajo comandos con pipes procesos padre/hijos/hermanos Introducció als Sistemes Operatius 1 Introducció als Sistemes Operatius 2 Comparten recursos del sistema Cooperan en realizar un trabajo: filtros A imprimir() B imprimir() no se envía a la impresora, sino a un fichero en disco (dispositivo compartible) $ who wc -l stdin who wc -l stdout stdout C imprimir() la impresora estará imprimiendo un fichero de modo no compartible Introducció als Sistemes Operatius 3 Introducció als Sistemes Operatius 4

2 Relación padre/hijo Relación hermanos padre TFA (open table) links ptro L/E acceso i-node 2 10 rw padre: write(fd[1],&i, sizeof(int)) hijo1: read(fd[0],&x, sizeof(int)) T.C. 5 hijo2: read(fd[0],&y, sizeof(int)) hijo Una operación del padre (read, write, lseek...) modificará el puntero también para el hijo, y viceversa. No se puede saber de antemano qué hijo leerá el 5 y qué hijo se quedará bloqueado hasta que el padre entre otro número. T.C. Introducció als Sistemes Operatius 5 Introducció als Sistemes Operatius 6 Concurrencia y paralelismo Hay concurrencia entre varios procesos cuando existen al mismo tiempo. PROCESOS CONCURRENTES Hay paralelismo entre varios procesos cuando se ejecutan al mismo tiempo. PROCESOS PARALELOS El paralelismo requiere un soporte físico: varios procesadores. La concurrencia es el caso general y el paralelismo un caso particular. La concurrencia (y el paralelismo) se refiere a la ejecución de código: Hay procesos concurrentes y flujos concurrentes. Ventajas de la Programación Concurrente Programación modular Considerar aisladamente cada tarea Aprovechar desde un programa el paralelismo (multiprocesadores). Tratar el trabajo con E/S lenta con flujos dedicados. el flujo principal del programa puede seguir trabajando Atención a varias peticiones simultáneas (sistemas distribuidos) Hablaremos en general de flujos concurrentes: Pueden ser del mismo proceso o diferentes procesos. Pueden correr en un único procesador o varios. Introducció als Sistemes Operatius 7 Introducció als Sistemes Operatius 8

3 Algunos ejemplos de concurrencia Master/Slave Programación Concurrente Peticiones Spooler Dispositivo Datos M cola de trabajos Filtro S S S Pantalla Avance de una tarea con múltiples puntos de ejecución. Cada punto de ejecución es un thread. El trabajo de cada thread se ve simultáneo desde el programa. Son parte de la misma tarea y hay puntos de encuentro Sincronización Comunicación La gestión de la concurrencia se hace por software Sistema operativo Librerías No consideramos hardware especializado Productor/Consumidor Introducció als Sistemes Operatius 9 Introducció als Sistemes Operatius 10 El proceso y el flujo Librerías de flujos Proceso (o task): unidad de asignación de recursos: espacio de direcciones (registros de la MMU) tabla de canales (y por tanto, dispositivos asignados) etc... Flujo: unidad de ejecución código pila registros del procesador En UNIX cada proceso sólo puede tener un flujo: el concepto proceso engloba todo. Los signals permiten que el proceso sea avisado de acontecimientos. A través del sistema de ficheros, los procesos pueden pasarse datos. El espacio de direcciones es privado para cada proceso (para cada flujo). Se ofrece la posibilidad de cambio de contexto, entidades de flujo y primitivas de sincronización Se ofrece un interfaz de trabajo, pero se puede acceder a cualquier rutina pública. La planificación de flujos es totalmente transparente al SO No sabe la concurrencia que hay en la librería. Sólo podrá haber tanto paralelismo como procesadores virtuales ofrezca. Un bloqueo de un servicio del SO, impide la planificación de cualquier flujo. Introducció als Sistemes Operatius 11 Introducció als Sistemes Operatius 12

4 EJEMPLO: Calcular concurrentemente f(x) = 2(3x + 4) Comunicación y sincronización /*padre*/ main() f1, f2,f3 X f1 = crear_fluxe(flux1, (long)0); f2 = crear_fluxe(flux2,(long)0); f3 = crear_fluxe(flux3,(long)0); Varios procesos o flujos que cooperan en una tarea, están relacionados - Necesitan comunicarse: pasarse datos, enviarse avisos - Necesitan sincronizarse: esperar que haya cambiado un estado ordenar temporalmente sus acciones No puede predecirse la velocidad de dos procesos concurrentes /*flujo 1*/ /*flujo 2*/ /*flujo 3*/ Introducció als Sistemes Operatius 13 Introducció als Sistemes Operatius 14 Ejemplo: compilador y ensamblador concurrentes Algunos conceptos básicos de la concurrencia var lista_de_lineas_de_texto;... process COMP { leer de fichero fuente traducir de LAN a ASM almacenar código en lineas } fichero objeto process ASS { leer y ensamblar lineas sucesivas } El compilador produce código ensamblador para el ensamblador y el ensamblador produce código objeto para el cargador. Los dos procesos están trabajando con los mismos datos, la lista de líneas, pero ha de garantizarse el acceso en el orden adecuado. Nunca se puede predecir nada sobre la velocidad de los procesos. - Condición de carrera (race condition) en el acceso a los datos. La exclusión mutua garantiza que no haya un cambio de condiciones desconocido. - Sección crítica de código de acceso a los datos. - Secuencialización en el acceso de los diferentes flujos a la S.C. - Ejecución atómica respecto al estado. Diferentes modelos de programación dan diferentes soluciones a la correcta comunicación entre procesos concurrentes. - Memoria compartida. - Paso de mensajes. Introducció als Sistemes Operatius 15 Introducció als Sistemes Operatius 16

5 Modelos de programación Memoria compartida Desde el punto de vista de la sincronización y comunicación entre procesos. Los dos modelos básicos que existen tradicionalmente: - Memoria compartida: los procesos comparten variables, y se pasan información a través de ellas la aplicación es la responsable de la corrección del trabajo (mutex, etc) es la comunicación natural entre flujos de un mismo proceso entre procesos, el SO ha de permitir tener una zona de memoria compartida Exclusión mutua Postulados de Dijkstra Secuencialización (tipos de espera) Protocolos Herramientas - Paso de mensajes: el SO se encarga de la comunicación Introducció als Sistemes Operatius 17 Introducció als Sistemes Operatius 18 MEMORIA COMPARTIDA Exclusión mutua MEMORIA COMPARTIDA Postulados de Dijkstra Trabajar con una secuencia de código que necesita ser accedida en exclusividad - protocolo de entrada, que garantice esa exclusividad - protocolo de salida, para avisar que la zona ha quedado libre Protocolo de entrada ZONA ACCEDIDA EN MUTEX Protocolo de salida Requisitos para garantizar un funcionamiento correcto: Exclusión mutua: como máximo, hay un proceso ejecutando la sección crítica. Progreso: no se puede postponer indefinidamente la decisión de qué proceso entre varios entra primero en la zona. Espera acotada: existe un límite en el tiempo de espera de un proceso desde que pide entrar en la sección crítica hasta que puede entrar. Atomicidad: se asume que las instrucciones de lenguaje máquina se ejecutan atómicamente. Introducció als Sistemes Operatius 19 Introducció als Sistemes Operatius 20

6 MEMORIA COMPARTIDA Mecanismos de espera en la entrada a la S.C. Espera activa: un proceso se queda esperando en un bucle de encuesta. - Spin lock o busy waiting - Si hay muchos candidatos, incumple los postulados de Dijkstra Bloqueo: un proceso que no puede entrar cede el procesador. - El protocolo de salida se encarga del desbloqueo - Permite seleccionar al siguiente candidato de entrada - Coste adicional de la gestión del bloqueo/desbloqueo de flujos Mixto a dos niveles: mantener la espera activa un tiempo y luego bloquear. MEMORIA COMPARTIDA Procolos de E/S en la sección crítica Pueden implementarse en hardware o en software El protocolo de entrada ha de ser accedido él mismo en mutex varios procesos compiten concurrentemente por la entrada Un monoprocesador es siempre menos restrictivo que un multiprocesador No hay paralelismo real Pueden utilizarse algoritmos más sencillos Peligro de pasar aplicaciones de un sistema a otro Puntos básicos en un monoprocesador - inhibición de interrupciones (no siempre es necesario) - mantener la atomicidad sin desbanque del procesador A nivel de hardware: - inhibición de interrupciones - instrucciones de lectura y modificación atómica test&set fetch&add, fetch&swap... Introducció als Sistemes Operatius 21 Introducció als Sistemes Operatius 22 MEMORIA COMPARTIDA Protocolos software SEMAFOROS Semáforos Algoritmos diseñados por el programador - generalmente, recaerán en una espera activa Herramientas ofrecidas por el entorno de trabajo (sistema, librería, lenguaje) - ofrecen mecanismos de bloqueo de procesos que esperan entrar semáforos monitores regiones críticas Herramienta que permite la sincronización entre flujos. Tipo abstracto de datos (TAD) que consta de un contador y una cola. Operaciones sobre un semáforo: - wait(semaforo) - signal(semaforo) - además: init_semaforo(semaforo, contador), crear_semaforo(...),... Es un mecanismo de bloqueo. Si es una herramienta que ofrece el SO, las operaciones son llamadas al sistema. Introducció als Sistemes Operatius 23 Introducció als Sistemes Operatius 24

7 SEMAFOROS SEMAFOROS Semáforos Primitivas de los semáforos typedef struct { cua_id cua; int compt; } semafor_t; typedef semafor_t *sem_id; sem_id crear_sem(int compt_ini); int sem_signal(sem_id semafor); int sem_wait(sem_id semafor); int destruir_sem(sem_id semafor); #define sem_ini(sem, n) sem = crear_sem(n) #define sem_init(sem, n) sem = crear_sem(n) primitiva sem_wait(sem) si contador es menor o igual que cero entonces bloquea contador = contador - 1 primitiva sem_signal(sem) si contador es menor que cero entonces desbloquea contador = contador + 1 Se realiza estas secuencias atómicamente - Las primitivas wait y signal son ininterrumpibles - El semáforo es un objeto accedido él mismo en exclusión mutua. El orden de inserción y extracción de la cola no es necesariamente FIFO - Si no es FIFO, no cumple los postulados de Dijkstra Introducció als Sistemes Operatius 25 Introducció als Sistemes Operatius 26 SEMAFOROS Tipos de semáforos SEMAFOROS Funcionalidades del semáforo Semáforos binarios - El contador sólo puede tomar los valores 0 y 1 - Se llaman también semáforos sin memoria no pueden acumular signals Semáforos generales - El contador puede tomar cualquier valor positivo o negativo Semáforos múltiples - Permite hacer wait o signal sobre varios semáforos a la vez - Algunas versiones de UNIX (System V) los ofrecen Un semáforo puede utilizarse para: Sincronización entre procesos o flujos Exclusión mutua entre flujos (modelo de memoria compartida) Filtro Exclusión mutua: S = 1 repeat wait(s) sec. crit. signal(s) forever; Sincronización: S = 0 P1 P2 wait(s) signal(s) Filtro: S = N Introducció als Sistemes Operatius 27 Introducció als Sistemes Operatius 28

8 SEMAFORO El semáforo como herramienta de exclusión mutua TEST-AND-SET Instrucciones especiales de LM: test&set De manera atómica (sin interrupción): Tiene que dajar pasar como máximo a un proceso: 1 er postulado - contador inicializado a 1 Si hay varios esperando, entra el que primero ejecute el signal: 2 o postulado - las operaciones sem_wait/sem_signal son atómicas - signal al salir de la sección crítica Todo proceso acaba entrando: 3 er postulado - sólo garantizado si la cola del semáforo es FIFO valor que devuelve la función carga un 1 Como protocolo de exclusión mutua: A = 0; while (!tas(&a)); Protocolo de entrada SECCIÓN CRÍTICA A A = 0; Protocolo de salida Introducció als Sistemes Operatius 29 Introducció als Sistemes Operatius 30 Paso de mensajes La comunicación corre a cargo del sistema operativo llamadas al sistema Componentes de la comunicación proceso A send to B proceso B receive from A Usuario S.O. Mensaje: - Tamaño fijo/tamaño variable - Mensajes especiales de control o sincronización comunicación a través del S.O. No son modelos excluyentes (memoria compartida y paso de mensajes) Paradigmas de comunicación: - Cliente/servidor - Rendez-vous (sincronización) - etc... Canal: implementación lógica que hace el sistema para llevar los mensajes de un proceso a otro. - a través de memoria compartida (misma máquina) - a través de cable - vía satélite,... - combinación de varios medios Introducció als Sistemes Operatius 31 Introducció als Sistemes Operatius 32

9 Características del canal Permanente o temporal - coste de creación/destrucción - número máximo de objetos del isstema Protegido o desprotegido - propietario del canal - derechos de acceso Lógico o físico - estructura de datos del sistema - soporte hardware Con capacidad o sin capacidad - poder mantener un número determinado de mensajes - capacidad infinita, N o 0 (rendez-vous, hand-shake) - comunicación síncrona/asíncrona FIFO o seleccionable - mensajes con prioridad - mensajes de control - canales multicola Tipos de comunicación (I) Unidireccional/Bidireccional - número de canales entre procesos Proceso 1 Proceso 2 Introducció als Sistemes Operatius 33 Introducció als Sistemes Operatius 34 Tipos de comunicación (II) Tipos de comunicación (III) Directa/indirecta - Buzones o ports - Permisos de acceso Proceso 1 Proceso 2 Simétrica/asimétrica - parte cliente/parte servidor - comunicaciones en igualdad servidor Proceso 2 Proceso 3 receive(petición) send(servidor,petición) receive(p3,mess) Proceso 3 send(p2,mess) Introducció als Sistemes Operatius 35 Introducció als Sistemes Operatius 36

10 Tipos de comunicación (IV) Síncrona/asíncrona - garantizar la llegada del mensaje al canal del sistema al proceso al buzón - mensajes de reply - si el canal es de tamaño N, hay sincronización con la entrada en el canal Introducció als Sistemes Operatius 37