Sistemas Operativos. 7 Deadlocks. Prof. Javier Cañas R.

Transcripción

1 Sistemas Operativos 7 Deadlocks Prof. Javier Cañas R.

2 Nota El texto guía es: Operating System Concepts, Eight Edition, Avi Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne Estas PPT están basadas en las PPT originales que el autor del texto guía mantiene en: Copyright Note The slides below are copyright Silberschatz, Galvin and Gagne, The slides are authorized for personal use, and for use in conjunction with a course for which Operating System Concepts is the prescribed text. Instructors are free to modify the slides to their taste, as long as the modified slides acknowledge the source and the fact that they have been modified. Paper copies of the slides may be sold strictly at the price of reproduction, to students of courses where the book is the prescribed text. Any use that differs from the above, and any for profit sale of the slides (in any form) requires the consent of the copyright owners; contact Avi Silberschatz (avi@cs.yale.edu) to obtain the copyright owners consent.

3 Temario 1. El Problema del Deadlock y Modelo de Sistema 2. Caracterización 3. Métodos para el manejo de Deadlocks 4. Prevención de Deadlocks 5. Evitar Deadlocks

4 ... Temario 6. Detección de Deadlocks 7. Recuperación de un Deadlock

5 Objetivos Describir deadlocks que impiden que un conjunto de procesos concurrentes completen su tarea. Presentar un conjunto de métodos diferentes para prevenir o evitar los deadlocks en un sistema computacional.

6 1 Formulación del problema y modelo de sistema Deadlock: conjunto de procesos, cada uno reteniendo un recurso y esperando obtener un recurso que está retenido por otro proceso dentro del conjunto. Ejemplo 1: Un sistema tiene 2 discos P1 y P2 tienen asignado un disco y cada uno de ellos necesita otro

7 ... Formulación del problema y modelo de sistema Ejemplo 2: semáforos A y B inicializados en 1: P0 P1 wait(a); wait(b); wait(b); wait(a);

8 Puente angosto Tránsito en una dirección (no se puede retroceder) Cada sección del puente puede verse como un recurso. Si ocurre deadlock, puede resolverse retirando un auto (quitar recurso y restaurando la condición previa) Es posible Starvation (inanición) La mayoría de los SO no previene ni trata con deadlocks

9 Modelo de Sistema Tipos de recursos: R1, R2,..., Rm Ej. ciclos de CPU, espacio de memoria, dispositivos de I/O Cada tipo de recurso Ri tiene Wi instancias El ciclo de un proceso que utiliza un recurso es: petición uso liberación

10 Caracterización de Deadlocks Un deadlock puede ocurrir si ocurren simultáneamente las siguientes 4 condiciones: 1. Exclusión mutua: sólo un proceso por vez puede utilizar un recurso. 2. Retención y espera: un proceso que retiene al menos un recurso, espera recursos adicionales que están retenidos por otros procesos.

11 ... Caracterización 3. No se puede quitar: un recurso sólo se puede liberar voluntariamente por el proceso que lo retiene, una vez que el proceso ha completado su tarea. El proceso no se puede interrumpir para obtener sus recursos. 4. Espera circular: existe un conjunto {P0, P1,..., P0} de procesos que esperan, tal que P0 espera recursos asignados a P1, P1 espera recursos asignados a P2,... y Pn-1 espera recursos asignados a Pn y Pn espera recursos asignados a P0.

12 Grafo de asignación de recursos El grafo está formado por un conjunto de vértices V y un conjunto de arcos E. V está particionado en dos conjuntos: P={P1, P2,..., Pn}, todos los procesos en el sistema R={R1, P2,..., Pn}, todos los tipos de recursos en el sistema

13 ... Grafo de asignación Arco de solicitud (request): P1 R1 Arco de asignación: Rj Pi

14 ... Grafo de asignación Proceso Tipo de Recurso con 4 instancias P i solicita instancia de R j P i P i retiene unan instancia de R j P i

15 Ejemplo

16 Grafo de asignación de recursos con deadlock

17 Un ciclo sin deadlock

18 Principios básicos Si un grafo no tiene ciclos no hay deadlock. Si un grafo contiene ciclos: Si sólo hay una instancia por tipo de recurso, hay deadlock. Si hay varias instancias por cada tipo de recurso, hay posibilidad de deadlock.

19 3 Métodos para el manejo de deadlocks Asegurar que el sistema nunca entrará en estado de deadlock. Permitir entrar en deadlock y entonces, recuperar. Ignorar el problema y fingir que nunca ocurrirá un deadlock en el sistema. Esto se usa en la mayoría de los SO, incluido UNIX

20 UNIX

21 4 Prevención de Deadlocks Restringir el modo en que los requerimientos son hechos: Exclusión Mutua: no se requiere para recursos compartidos. Sólo se debe aplicar a recursos no compartidos. Retención y Espera: garantizar que en cualquier momento que un proceso requiera un recurso, no tenga retenido otro recurso.

22 ... Prevención Retención y Espera: garantizar que en cualquier momento que un proceso requiera un recurso, no tenga retenido otro recurso. El proceso debe tener asignado todos sus recursos antes de comenzar su ejecución, o permitir que procesos pidan recursos sólo cuando el proceso no tiene ninguno asignado. Genera baja utilización de recursos. Es posible inanición (starvation)

23 ... Prevención No se puede quitar recursos Si un proceso que retiene algunos recursos requieren otros que no pueden ser inmediatamente asignado, entonces todos los recursos que mantenía retenidos son liberados (quitados). El proceso es interrumpido. Los recursos que fueron quitados se agregan a la lista de recursos por los cuales el proceso espera. El proceso se reactiva sólo cuando logra obtener sus recursos originales y los que necesitaba.

24 ... Prevención Espera circular imponer un orden total a todos los tipos de recursos, y establecer que cada proceso solicite recursos en un orden creciente de enumeración. Definimos una función uno a uno F: R N Ejemplo: F(tape drive)=1, F(disk drive)=5, F(printer) =12 Sólo se pueden solicitar recursos en orden ascendente. Si un proceso requiere una instancia del recurso Rj, primero tiene que liberar recurso Ri tal que F(Ri) F (Rj)

25 5 Evitar Deadlocks Este método necesita que el sistema tenga a priori información adicional disponible: El modelo más simple y útil, necesita que cada proceso declare el máximo número de recursos de cada tipo que pueda necesitar. El algoritomo deadlock-avoidance, dinámicamente examina el estado de la asignación de recursos para asegurar que nunca quedará en una condición de espera circular.

26 ... Evitar Deadlocks El estado de asignación de recursos está definido por el número de recursos disponibles y asignados, y por la máxima demanda de recursos de los procesos.

27 Estado Seguro Cuando un proceso necesita un recurso disponible, el sistema debe decidir si su asignación inmediata deja al sistema en un estado seguro. El sistema está en un estado seguro, si existe una secuencia <P1, P2,...,Pn> de TODOS los procesos en el sistema, tal que para cada Pi, los recursos que todavía necesita pueden satisfacerse por los recursos disponibles + los recursos retenidos por todos los Pj, con j < i.

28 ... Estado Seguro Esto significa: Si los recursos que necesita P i no están inmediatamente disponibles, entonces Pi debe esperar hasta que Pj termine. Cuando P j ha terminado, Pi puede obtener los recursos que necesita, ejecutarse, devolver los recursos desocupados y terminar. Cuando P i ha terminado, Pi+1 puede obtener los recursos que necesita y así...

29 Aspectos Básicos Si un sistema está en un estado seguro, no hay deadlocks. Si un sistema está en un estado inseguro, es posible que exista deadlock. Evitación (avoidance), asegura que un sistema nunca entrará en un estado inseguro.

30 Seguro, no seguro, Estado de Deadlock

31 Ejemplo Consideremos un sistema con 12 cintas magnéticas y 3 procesos: P0, P1, P2 Supongamos que en t 0 la situación es: Maximum Needs Current Allocations P P1 4 2 P2 9 2 La secuencia <P1, P0, P2> satisface la condición de seguridad?

32 ... Ejemplo t0: P1,P0,P2 = 2,5,2 libres=3 t1: P1,P0,P2 = 4,5,2 libres=1 t2: P1,P0,P2 = 0,5,2 libres=5 t3: P1,P0,P2 = 0,10,2 libres=0 t4: P1,P0,P2 = 0,0,2 libres=10 t5: P1,P0,P2 = 0,0,9 libres=3 t6: P1,P0,P2 = 0,0,0 libres=12 Luego <P1, P0, P2> es una secuencia segura

33 Algoritmos de Evitación Si los tipos de recursos tienen una sola instancia: Usar un grafo de asignación de recursos Si los tipos de recursos tienen múltiples instancias: Usar el algoritmo del banquero

34 Esquema para Grafo de Asignación de Recursos Arcos de demandas (claim edge): Pi Rj indica que el proceso Pj, puede necesitar el recurso Rj. Se representa por línea punteada. Los arcos de demandas se convierten en arcos de requerimientos cuando un proceso requiere de un recurso. Los arcos de requerimientos se conviertes en arcos de asignación cuando un recurso es asignado a un proceso. Cuando un recurso es liberado, los arcos de asignación se convierten en arcos de demanda. Recursos deben ser demandados a priori en el sistema.

35 Ejemplo: ciclo de vida de un arco

36 Grafo de asignación de recursos Si bien R2 está libre, no se puede asignar a P2 porque se podría crear un ciclo

37 Estado inseguro en un grafo de asignación de recursos

38 Algoritmo para el Grafo de asignación de recursos Supongamos que el proceso Pi hace una petición del recurso Rj. Esta petición puede ser satisfecha sólo si al convertir un arco de requerimiento en un arco de asignación no genera un ciclo en el grafo.

39 El Algoritmo del Banquero: supuestos Se consideran múltiples instancias de un recurso. Cada proceo debe demandar a priori el máximo uso de recursos. Cuando un proceso requiere un recurso, puede tener que esperar. Cuando un proceso obtiene todos sus recursos, debe devolverlos en un tiempo finito.

40 ... Banquero: estructuras de datos Sea n = número de procesos, y m = número de tipos de recursos. Available: Vector de largo m. Si available [j] = k, hay k instancias disponibles de recursos tipo R j Max: n x m matriz. Si Max [i,j] = k, entonces el proceso P i puede requerir a lo más k instancias del recurso tipo R j Allocation: n x m matriz. Si Allocation[i,j] = k entonces P i tiene asignada k instances de R j Need: n x m matriz. Si Need[i,j] = k, entonces P i puede necesitar k instancias adicionales de R j para completar su tarea Need [i,j] = Max[i,j] Allocation [i,j]

41 Algoritmo de Seguridad Este algoritmo determina determines si un sistema está o no está en un estado seguro 1. Sean Work y Finish vectores de largo m y n, respectivamente. Inicializamos: Work = Available Finish [i] = false for i = 0, 1,, n Encuentre un índice i tal que ambos: (a) Finish [i] = false (b) Need i Work Si no existe este i, ir al paso 4 3. Work = Work + Allocation i Finish[i] = true go to paso 2 4. Si Finish [i] == true para todo i, entonces el sistema está en un estado seguro

42 Algoritmo Resource- Request para proceso Pi Este algoritmo determina cuando un requerimiento puede ser concedido en forma segura: Requesti = vector request para proceso P i. Si Request i [j] = k entonces P i quiere k instancias de un recurso del tipo R j 1. Si Request i Need i go to paso 2. Sino, genere una condición de error, ya el proceso ha excedido su demanda máxima. 2. Si Request i Available, go to paso 3. Sino P i debe eserar, ya que no hay recursos disponibles. 3. Simule asignar los recursos solicitados a P i modificando los estados de la siguiente manera: Available = Available Request; Allocation i = Allocation i + Request i ; Need i = Need i Request i ; Si safe los recursos son asignados a Pi Si unsafe Pi debe esperar, y hay que restaurar el estado anterior resource-allocation

43 Ejemplo de Algoritmo del banquero 5 procesos P 0 a P 4 ; 3 tipos de recursos: A (10 instancias), B (5 instancias), y C (7 instancias) Snapshot en tiempo T 0 : Allocation Max Available A B C A B C A B C P P P P P

44 ... Ejemplo El contenido de la matriz Need se define como: Max Allocation Need A B C P P P P P El sistema está en un estado seguro ya que < P 1, P 3, P 4, P 2, P 0 > satisface el criterio de seguridad.

45 Ejemplo: P1 pide (1,0,2) Verificar que Request Available (o sea, (1,0,2) (3,3,2) true Allocation Need Available A B C A B C A B C P P P P P Ejecutando el algoritmo se seguridad se muestra que la secuencia < P 1, P 3, P 4, P 0, P 2 > satisface el requisito de seguridad Un requerimiento para (3,3,0) por P 4 puede concederse? Un requerimiento para (0,2,0) por P 0 puede concederse?

46 6 Detección de Deadlock En esta estrategia: Se permite al sistema entrar en estado de deadlock. Se utiliza un algoritmo de detección. Si hay deadlock se utiliza un esquema de recuperación

47 Detección: instancia simple para cada recurso Mantenga el grafo esperar-para (wait-for) Nodos son procesos P i P j si P i espera por P j Periódicamente invocar un algoritmo que busca ciclos en un grafo. Si hay ciclos, existe deadlock. Un algoritmo para detectar un ciclo en un grafo requiere un orden de n 2 operaciones, donde n ies el número de vértices del grafo.

48 Grafo de asignación de recursos y grafo Wait-for Grafo Resource-Allocation Grafo wait-for correspondiente

49 Muchas instancias de un tipo de recursos: Algoritmo Available: Un vector de largo m que indica el número de recursos disponibles de cada tipo. Allocation: Una matriz de n x m que define el número de recursos de cada tipo que actualmente están asignados a cada proceso. Request: Una matriz de n x m que indica el requerimiento actual de cada proceso. Si Request [i j ] = k, entinces el proceso P i requiere k instancias adicionales del recurso tipo R j.

50 Algoritmo de detección 1. Sea Work y Finish vectores de largo m y n, respectivamente Inicializar: (a) Work = Available (b) For i = 1,2,, n, if Allocation i 0, then Finish[i] = false; otherwise, Finish[i] = true 2. Encontrar un índice i tales que ambos: (a) Finish[i] == false (b) Request i Work Si no existe un i, go to paso 4

51 ... Algoritmo detección 3. Work = Work + Allocation i Finish[i] = true go to paso 2 4. if Finish[i] == false, para algún i, 1 i n, entonces el sistema está en un estado de deadlock. Por otra parte, if Finish[i] == false, ntonces P i está en deadlock. Este algoritmo tiene una complejidad O(m x n 2) en las operaciones pra detectar si el sistema está en estado deadlock

52 Ejemplo del algoritmo de detección Cinco procesos P 0 hasta P 4 ; tres tipos de recursos: A (7 instancias), B (2 instancias), y C (6 instancias) Snapshot en tiempo T 0 : Allocation Request Available A B C A B C A B C P P P P P La secuencia <P 0, P 2, P 3, P 1, P 4 >resultará en Finish[i] = true para todo i

53 ... Ejemplo P 2 requiere una instancia adicional del tipo C Estado del sistema? Request A B C P P P P P Puede solicitar recursos retenidos por P 0, pero insuficientes para satisfacer otros requerimientos de procesos. Existe deadlock, consistiendo en P 1, P 2, P 3, y P 4

54 Uso del algoritmo de detección Cuándo y con qué frecuencia utilizarlo depende de: Cuántas veces es probable que ocurra deadlock? Cuántos procesos necesitarán revertirse? Uno por cada ciclo disjunto

55 Observación Si el algoritmo se invoca arbitrariamente, podrían existir muchos ciclos en el grafo de recursos y por lo tanto no seríamos capaces de establecer cuál de los muchos procesos que están en deadlock causó el deadlock-

56 7 Recuperación de Deadlock Posibilidades: Abortar todos los procesos en deadlock Abortar un proceso por vez hasta que el deadlock es eliminado

57 ... Recuperación: criterios para abortar Prioridad de los procesos Cuánto tiempo se ha ejecutado y cuánto le falta para terminar? Recursos que el proceso ha utilizado Recursos que el proceso necesita para terminar Cuántos procesos necesitamos que terminen? El proceso en interactivo o batch?

58 ... Recuperación: quitar recursos Seleccione una víctima. Minimizar costo Restauración ( Rollback ). Volver a un estado seguro. reiniciar procesos en estado seguro. Inanición ( Starvation ). Algunos procesos pueden ser siempre considerados como víctimas. Incluir el número de rollback como factor de costo.

59 Sistemas Operativos 7 Deadlocks Prof. Javier Cañas R.

60 Anexo A Algoritmo del Banquero Programas fuentes Matlab Octave

61 %Este es el programa principal que utiliza las demas funciones %Banker.m %Javier Canas sistema; %carga configuración inicial disp( Configuracion del Sistema ) Allocation Max Available if is_safe(allocation, Max, Available) disp( Sistema seguro ) else disp( Sistema inseguro ) end Need=Max Allocation; disp( Recursos que necesita proceso ); i=input( Ingrese numero de proceso: ); disp( El proceso necesita: ) disp(need(i,:)) Request=input( Ingrese recursos adicionales para este proceso [n1 n2 nn]: ); if menor_igual(request, Need(i,:)) if menor_igual(request, Available) Available=Available Request; Allocation(i,:)=Allocation(i,:)+Request; if is_safe(allocation, Max, Available) disp( Nuevo Sistema es seguro ) else disp( Nuevo Sistema es Sistema inseguro ) end end else disp( P must wait ); return end else disp( Error condition: the process has exceeded its maximum claim )

62 Funciones function [code] = all_true(vector) %verifica si todos los componentes de un vector son verdaderos [x,y]=size(vector); if sum(logical(vector)) == y code=true; return end code=false; function [existe] = find_index(a,b,c) %encuentra indice tal que A(i)==F y B(i) <=C existe=0; [x,y]=size(b); for i=1:x if ~A(i) && menor_igual(b(i,:), C) existe=i; return end end function [code] = menor_igual(v1,v2) code=all_true(v1 <= v2);

63 ... Funciones function [code] = is_safe(alloc, Max, Avail) % Safety Algorithm % Bankers Algorithm for deadlock detection % Javier Canas % code =1 safe % code =0 unsefe % code = 1 error [n,m]=size(alloc); [l,p]=size(max); if n ~=l m ~= p disp( Error en tamano de matrices ) code= 1; return end Need=Max Alloc; Work=Avail; Finish=false(1,n); while ~all_true(finish) i=find_index(finish, Need, Work); if ~i break end Work=Work+Alloc(i,:); %disp(i 1) Finish(i)=true; end code=all_true(finish); return

64 Datos de prueba %Datos de prueba. Corresponden a ejemplo del % Silberchatz, pagina 300, libro edicion 8 Allocation=[0,1,0;2,0,0;3,0,2;2,1,1;0,0,2]; Max=[7,5,3;3,2,2;9,0,2;2,2,2;4,3,3]; Available=[3,3,2];

65 Anexo B Algoritmo detección de Deadlock Programas fuentes Matlab Octave

66 %Este es el programa principal que utiliza las demas %funciones %Verifica si un sistema con varias instancias de un mismo %recurso presenta deadlock %Deadlock_Detection.m %Javier Canas R sistema_deadlock_1; %carga datos de prueba 1 disp( Configuracion del Sistema ) Allocation Request Available if is_deadlock(allocation, Request, Available) disp( Sistema sin Deadlock ) else disp( Sistema con Deadlock ) end %la nueva configracion considera para el proceso P2 %un requerimiento adicional del recurso C sistema_deadlock_2; %carga datos de prueba 2 disp( Configuracion del Sistema ) Allocation Request Available if is_deadlock(allocation, Request, Available) disp( Sistema sin Deadlock ) else disp( Sistema con Deadlock ) end

67 Datos de prueba %Datos de prueba. Corresponden a ejemplo del % Silberchatz, pagina 303, libro edicion 8 %sistema_deadlock_1.m Allocation=[0,1,0;2,0,0;3,0,3;2,1,1;0,0,2]; Request=[0,0,0;2,0,2;0,0,0;1,0,0;0,0,2]; Available=[0,0,0]; %Datos de prueba. Corresponden a ejemplo del % Silberchatz, pagina 303, libro edicion 8 %sistema_deadlock_2.m Allocation=[0,1,0;2,0,0;3,0,3;2,1,1;0,0,2]; Request=[0,0,0;2,0,2;0,0,1;1,0,0;0,0,2]; Available=[0,0,0];

68 Funciones auxiliares function [code] = all_true(vector) %verifica si todos los componentes de un vector son verdaderos [x,y]=size(vector); if sum(logical(vector)) == y code=true; return end code=false; function [code] = all_zero(vector) %verifica si todos los componentes de un vector son ceros if sum(logical(vector)) == 0 code=true; return end code=false;

69 ... Funciones auxiliares function [existe] = find_index(a,b,c) %encuentra indice tal que A(i)==F y B(i) <=C existe=0; [x,y]=size(b); for i=1:x if ~A(i) && menor_igual(b(i,:), C) end end existe=i; return function [code] = menor_igual(v1,v2) code=all_true(v1 <= v2);

70 ... Funciones auxiliares function [code] = is_deadlock(alloc, Req, Avail) % Safety Algorithm % Bankers Algorithm for deadlock detection % Javier Canas % code =1 safe % code =0 unsefe % code = 1 error [n,m]=size(alloc); [l,p]=size(req); if n ~=l m ~= p disp( Error en tamano de matrices ) code= 1; return end Work=Avail; for i=1:n if ~all_zero(alloc(i,:)) Finish(i)=false; else Finish(i)=true; end end while ~all_true(finish) i=find_index(finish, Req, Work); if ~i break end Work=Work+Alloc(i,:); Finish(i)=true; end code=all_true(finish); return