Sincronización de procesos

Transcripción

1 Sincronización de procesos

2 Contenido Procesos concurrentes. El problema de la seccion critica Problemas clásicos de comunicación y sincronización. Mecanismos de comunicación y sincronización. DSO Sincronización

3 Procesos concurrentes Los procesos llevan a cabo tareas para lograr un objetivo comun. Interaccionan entre ellos para: Competir por recursos Compartir recursos ES NECESARIA LA COMUNICACION y LA SINCRONIZACION (orden) ENTRE ELLOS DSO Sincronización

4 Procesos concurrentes El método mas sencillo de comunicación entre los procesos de un programa concurrente, es el uso común de unas variables de datos. Sin embargo el uso de este mecanismo puede hacer que la ejecución de un proceso interfiera en las acciones del otro. DSO Sincronización

5 Ejemplo Procesador 1 Procesador 2 PID = 500 Lee PID Registro o posición de memoria PID = 500 Incrementa y asigna PID Lee PID PID = 500 PID = 501 Escribe PID PID = 501 Incrementa y asigna PID PID = 501 PID = 501 Escribe PID DSO Sincronización

6 DSO Sincronización

7 Código del productor El productor no puede escribir en el buffer si está lleno Comparte con el consumidor: el buffer y el contador do {... ( elemento_p ) produce un nuevo elemento... while (contador == MAX_ELEMENTOS) haz_nada; buffer[indice_p] = elemento_p; indice_p = (indice_p + 1) % MAX_ELEMENTOS; contador = contador + 1; } while (TRUE); DSO Sincronización

8 Código del consumidor El productor no puede leer del buffer si está vacío Comparte con el consumidor: el buffer y el contador do { while (contador == 0) haz_nada; elemento_c = buffer[indice_c]; indice_c = (indice_c + 1) % MAX_ELEMENTOS; contador = contador - 1;... ( elemento_c ) consume el elemento... } while (TRUE); DSO Sincronización

9 Condiciones de carrera El código anterior no funciona por existir condiciones de carrera al actualizar el contador Veamos qué ocurre al ejecutar la sentencia: contador = contador + 1; Productor Consumidor load r0, contador load r0, contador add r0, 1 sub r0, 1 store contador, r0 store contador, r0 Problema: la modificación del contador no es atómica DSO Sincronización

10 Atomicidad Una operación se dice que es atómica (en un sistema uniprocesador) cuando se ejecuta con las interrupciones deshabilitadas Las referencias y las asignaciones son atómicas en la mayoría de los sistemas. Esto no es siempre cierto para matrices, estructuras o números en coma flotante Si el HW no proporciona operaciones atómicas, éstas no pueden construirse por SW DSO Sincronización

11 DSO Sincronización

12 Cuál es el problema planteado? Alguien necesita leche, pero no tanta Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que sólo un proceso está haciendo algo en un instante determinado Sección crítica: es la sección de código, o colección de operaciones, en el que se actualizan variables comunes o se ejecuta código común. Cuando un proceso está ejecutando código de su SC, ningún otro proceso puede estar en su SC DSO Sincronización

13 Seccion Critica Para evitar este tipo de errores, hay que identificar las regiones de los procesos en donde se acceden a recursos compartidos y dotarlas de la posibilidad de ejecucion como si fueran una única instruccion DSO Sincronización

14 Seccion Critica Seccion Critica: Aquellas partes de los procesos concurrentes que no pueden ejecutarse de forma concurrente. Los procesos deben de acceder en Exclusion Mutua DSO Sincronización

15 Problema de la Sección Critica Sistema compuesto por n procesos Cada uno tiene un (mismo) fragmento de código: sección crítica Sólo uno de los procesos en cada instante puede ejecutar en la sección crítica Cuando un proceso está ejecutando en la sección crítica, ningún otro puede hacerlo DSO Sincronización

16 Problema de la Sección Critica Para conseguir dicha exclusión mutua se deben de implementar protocolos software o hardware que impidan o bloqueen el acceso a una SC mientras está siendo utilizada por otro proceso. Solución general: do { protocolo de entrada sección crítica protocolo de salida resto de la sección } while (TRUE); DSO Sincronización

17 Problema de la sección crítica Toda solución debe cumplir tres condiciones Exclusión mutua Progreso Espera limitada DSO Sincronización

18 Tipos de soluciones Soluciones soft. basadas en variables de (.., DecKer,Peterson ) control Soluciones hw. basadas en instrucciones máquina específicas (test-and-set o ( swap Soluciones basadas en primitivas del SO ( (impartido en ARCO Soluciones basadas en regiones críticas y monitores DSO Sincronización

19 Problemas clásicos de comunicación y sincronización El problema del productor-consumidor El problema de los lectores-escritores Comunicación cliente-servidor DSO Sincronización

20 Problema del productorconsumidor Proceso Productor Proceso Consumidor Flujo de datos Mecanismo de comunicación DSO Sincronización

21 El problema de los lectores-escritores Lector Lector Escritor Lector Escritor Recurso DSO Sincronización

22 Comunicación clienteservidor Computador Computador Petición Proceso cliente Proceso servidor S.O. Respuesta DSO Sincronización

23 Primitivas del SO para comunicación y sincronizacion

24 Primitivas del SO Mecanismos de comunicación Tuberías (pipes, FIFOS) Paso de mensajes Mecanismos de sincronizacion Servicios del sistema operativo: Señales (asincronismo) Tuberías (pipes, FIFOS) Semáforos Paso de mensajes Las operaciones de sincronización deben ser atómicas DSO Sincronización

25 Semáforos Introducidos por Dijkstra en los años 60 Es un tipo especial de variable que sólo puede ser accedida por dos primitivas P y V P (semáforo): operación atómica que espera hasta que la variable semáforo sea positiva, en este momento la decrementa en 1 V (semáforo): operación atómica que incrementa la variable semáforo en 1 Cómo quedaría el problema de la sección crítica con semáforos? DSO Sincronización

26 Operaciones sobre Semáforos Wait(s) { s = s - 1; if (s < 0) { <Bloquear al proceso> } } signal(s) { s = s + 1; ( 0 <= (s if <Desbloquear a un proceso bloqueado por la operacion wait> } } DSO Sincronización

27 Características de los semáforos Son independientes de la máquina Son simples Pueden trabajar con varios procesos Doble uso de los semáforos: Exclusión mutua Sincronización DSO Sincronización

28 Secciones críticas con semáforos Wait(s); /* P(s) entrada en la seccion critica */ < seccion critica > signal(s); /* V(S) salida de la seccion critica */ El semáforo debe tener valor inicial 1 DSO Sincronización

29 DSO Sincronización

30 Restricciones: Productor-consumidor El consumidor espera a que haya datos en el buffer El productor espera a que haya buffers vacíos Sólo un único proceso puede manipular el buffer a la vez Semáforos: smf_llenos, smf_vacíos y exmut Inicialización: smf_llenos = 0 smf_vacíos = número_de_buffers exmut = 1 DSO Sincronización

31 Productor Consumidor P (smf_vacíos); P (exmut); Produce un dato; V (exmut); V (smf_llenos); P (smf_llenos); P (exmut); Consume el dato; V (exmut); V (smf_vacíos); Por qué el productor hace P(smf_vacíos) y V(smf_llenos)? Es importante el orden en que se ejecutan las primitivas P y V? Cómo podemos extender el problema si hay dos consumidores? DSO Sincronización

32 Lectores-escritores Descripción: Los escritores acceden a la BBDD cuando no haya ningún otro escritor y ningún lector. Semáforo escribir Los lectores acceden cuando no haya ningún escritor accediendo o esperando. Semáforo leer Variables compartidas: LA, LE, EA, EE. A estas variables accederemos en exclusión mutua. Semáforo exmut DSO Sincronización

33 Iniciación leer = escribir = 0 exmut = 1 LA = EA = LE = EE = 0 Además: Los escritores tienen prioridad sobre los lectores DSO Sincronización

34 Lector Escritor P (exmut); if ((EA + EE) == 0) { V (leer); LA = LA + 1; } else { LE = LE + 1; } V (exmut); P (leer); Leemos los datos; P (exmut); LA = LA - 1; if (LA == 0 && EE > 0) { V (escribir); EA = EA + 1; EE = EE - 1; } P (exmut); if (( EA + LA + EE) == 0) { V (escribir); EA = EA + 1; } else { EE = EE + 1; } V (exmut); P (escribir); Escribimos los datos; P (exmut); EA = EA - 1; if (EE > 0) { V (escribir); EA = EA + 1; EE = EE - 1; } else while (LE > 0) { V (leer); LA = LA + 1; LE = LE - 1; } V (exmut); DSO Sincronización

35 Problema del barbero dormilón Problema: 1 barbero y N sillas de espera Si un cliente entra y no hay sillas, se va Semáforos: clientes: número de clientes en espera sin contar el que está en la silla del peluquero barberos: número de barberos inactivos exmut: exclusión mutua Variable compartida: esperando: número de clientes esperando Inicialmente: clientes=0 barberos=0 exmut=1 esperando=0 DSO Sincronización

36 Barbero Cliente do { P(clientes); P(exmut); esperando=esperando-1; V(barberos); V(exmut); /* Corta el pelo */ } while (TRUE); do { P(exmut); if (esperando < SILLAS) { esperando=esperando + 1; V(clientes); V(exmut); P(barberos); /* Se corta el pelo */ } else { V(exmut); } } while (PELOLARGO); DSO Sincronización

37 Problema del puente estrecho Por un puente sólo pueden pasar o coches que suben o coches que bajan. Solución: Variables compartidas: int contadorsubida = 0, contadorbajada = 0; semaforo exmut_s, exmut_b, puente; Iniciación: Los semáforos inicialmente deben valer 1 No se tratan los problemas de inanición DSO Sincronización