Concurrencia: Exclusión mutua y Sincronización


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1 Concurrencia: Exclusión mutua y Sincronización Prof. Carlos Figueira Basado en materiales de Yudith Cardinale (USB) Williams Stallings, Eugene Styer

2 Concurrencia Múltiples aplicaciones Aplicaciones estructuradas Estructura del sistema de operación Carlos Figueira/USB 2

3 Términos Sección crítica (SC): sección de código en un proceso que requiere acceso a recursos compartidos y que no puede ejecutarse si otro proceso está en una sección equivalente de código Bloqueo (Deadlock): situación en la cual dos o más procesos no pueden progresar porque c/u está esperando por que otro haga algo Círculo vicioso (Livelock): situación en la que dos o más procesos cambian su estado continuamente en respuesta a cambios en otro, sin hacer trabajo útil Carlos Figueira/USB 3

4 Términos Exclusión mutua (ExcMut): cuando un proceso está en una SC que utiliza recursos compartidos, ningún proceso puede estar en una SC que utilice alguno de esos recursos. Condición de carrera: condición en la que 1+ procesos acceden en R/W a 1 o + recursos compartidos, y cuyo estado final depende de las velocidades relativas en su ejecución Inanición (starvation): ocurre cuando un proceso es permanentemente relegado por el coordinador de recursos Carlos Figueira/USB 4

5 Dificultades de la Concurrencia Compartir recursos globales S.O. debe gestionar la asignación de recursos de manera eficiente Dificultad para localizar errores de programación Carlos Figueira/USB 5

6 Concurrencia Comunicación entre procesos Compartir recursos Sincronización de múltiples procesos Asignación de tiempo de CPU Carlos Figueira/USB 6

7 Concurrencia Aplicaciones múltiples Multiprogramación Aplicaciones estructuradas Una aplicación puede diseñarse como un conjunto de procesos concurrentes Estructura de S.O. S. O. estructurado como un conjunto de procesos o hilos Carlos Figueira/USB 7

8 Ejemplo sencillo void echo() { chin = getchar(); chout = chin; putchar(chout); } Carlos Figueira/USB 8

9 Ejemplo sencillo Process P1 Process P2.. chin = getchar();.. chin = getchar(); chout = chin; chout = chin; putchar(chout);.. putchar(chout);.. Carlos Figueira/USB 9

10 Tareas del S.O. Administrar varios procesos Asignar y retirar recursos: Tiempo CPU Memoria Archivos Dispositivos de I/O Proteger datos y recursos Salida de los procesos debe ser independiente de la velocidad de ejecución de otros procesos concurrentes Carlos Figueira/USB 10

11 Interacción entre procesos Procesos sin conocimiento mutuo Procesos con conocimiento indirecto entre sí Procesos con conocimiento directo mutuo Carlos Figueira/USB 11

12 Carlos Figueira/USB 12

13 Competencia entre procesos por recursos Exclusión mutua Secciones críticas Sólo un programa a la vez puede estar en la sección crítica P.e.: sólo un proceso a la vez puede enviar comandos a la impresora Bloqueo mutuo Inanición Carlos Figueira/USB 13

14 Requerimientos de Exclusión mutua Sólo un proceso a la vez puede estar en la sección crítica de un recurso Un proceso que se detiene en su sección no crítica debe hacerlo sin interferir con otros procesos No bloqueo ni inanición Carlos Figueira/USB 14

15 Requerimientos para Exclusión mutua (Cont.) El acceso de un proceso a la sección crítica no debe ser demorado cuando no hay otro proceso usándola No puede condicionarse a las velocidades relativas o al número de procesos Un proceso no puede permanecer para siempre en la sección crítica Carlos Figueira/USB 15

16 Exclusión Mutua: Soporte de Hardware Deshabilitar interrupciones: Un proceso corre hasta que invoca un servicio del S.O., o hasta que sea interrumpido Deshabilitar las interrupciones garantiza la exclusión mutua Limita al procesador en su capacidad de alternar programas Multiprocesammiento Deshabilitar interrupciones en un procesador no garantiza exclusión mutua Carlos Figueira/USB 16

17 Exclusión Mutua: Soporte de hardware Instrucciones de máquina especiales Realizadas en un ciclo de instrucción (ininterrumpible, atómico) Acceso a la posición de memoria está bloqueado para cualquier otra instrucción Carlos Figueira/USB 17

18 Exclusión Mutua: Soporte de hardware Instrucción Test and Set boolean testset (int i) { if (i == 0) { i = 1; return true; } else { return false; } } Carlos Figueira/USB 18

19 Exclusión Mutua: Soporte de hardware Instrucción exchange void exchange(int register, int memory) { } int temp; temp = memory; memory = register; register = temp; Carlos Figueira/USB 19

20 Eje. de Exclusión Mutua Carlos Figueira/USB 20

21 Inst. de máquina ExcMut Ventajas Aplicable a cualquier número de procesos en uno o más procesadores con memoria compartida Simple y fácil de verificar Puede ser usado para soporte de múltiples secciones críticas Carlos Figueira/USB 21

22 Inst. de máquina ExcMut Desventajas Espera activa consume tiempo de CPU Puede ocurrir inanición si un proceso sale de SC y más de un proceso está esperando Bloqueo (inversión de prioridad) Si un proceso de baja prioridad tiene la región crítica y un proceso de mayor prioridad lo necesita, éste tendrá el CPU (espera activa), por lo tanto, el de menor prioridad no podrá obtener el CPU para salir de SC Carlos Figueira/USB 22

23 Semáforos Variable especial usada para señalización Si un proceso está esperando por una señal, se suspende hasta que la señal es enviada Carlos Figueira/USB 23

24 Semáforos Semáforo es una variable entera 0 Puede ser inicializada con un número positivo Operación Wait/P decrementa el valor del semáforo(hasta 0) Operación Signal/V incrementa el valor del semáforo Carlos Figueira/USB 24

25 Especificación de primitivas de semáforo struct semaforo { int cuenta; Tipocola cola;} void wait (semaforo s) { if (s.cuenta > 0) s.cuenta--; else {/* Bloquea proceso, lo coloca en s.cola */ } return: } Carlos Figueira/USB 25

26 Especificación de primitivas de semáforo void signal (semaforo s) { if (s.cola vacia) s.cuenta++ ; else { /* mueve proceso de s.cola, a Cola listos para ejecución */ } } Carlos Figueira/USB 26

27 Primitivas semáforo binario Carlos Figueira/USB 27

28 ExcMut usando semáforos Carlos Figueira/USB 28

29 Carlos Figueira/USB 29

30 Productor/Consumidor Uno o más productores generando datos y colocándolos en un buffer Un proceso consumidor toma los elementos de la cola, uno a la vez Sólo un productor o consumidor puede acceder al buffer a la vez Carlos Figueira/USB 30

31 Productor productor: while (true) { /* produce item v */ b[in] = v; in++; } Carlos Figueira/USB 31

32 Consumidor consumidor: while (true) { while (in <= out) /*no hace nada */; w = b[out]; out++; /* consume item w */ } Carlos Figueira/USB 32

33 Productor/Consumidor Carlos Figueira/USB 33

34 Productor con buffer productor: while (true) { } circular /* produce item v */ while ((in + 1) % n == out) /* do nothing */; b[in] = v; in = (in + 1) % n Carlos Figueira/USB 34

35 Consumidor con buffer circular consumidor: while (true) { while (in == out) /* do nothing */; w = b[out]; out = (out + 1) % n; /* consume item w */ } Carlos Figueira/USB 35

36 Carlos Figueira/USB 36

37 Carlos Figueira/USB 37

38 Carlos Figueira/USB 38

39 Carlos Figueira/USB 39

40 Carlos Figueira/USB 40

41 Limitaciones de los semáforos Los semáforos se usan por conveniencia, es fácil cometer errores. No es fácil recordar cuál semáforo está asociado con qué estructura de datos, proceso o recurso. Se puede olvidar un wait o un signal y violar la exclusión mutua! No permite hacer pruebas, sino que directamente se bloquea. El tiempo durante el cual un proceso puede estar bloqueado en un semáforo no está limitado No hay medio por el cual un proceso pueda controlar a otro usando semáforos sin la cooperación de los procesos controlados. Carlos Figueira/USB 41

42 Monitores El monitor es un módulo de software (similar a un objeto) Características principales Variables locales accesibles sólo por el monitor Un proceso entra en el monitor invocando uno de sus procedimientos Sólo un proceso a la vez puede estar ejecutando en el monitor Carlos Figueira/USB 42

43 Carlos Figueira/USB 43

44 Carlos Figueira/USB 44

45 Carlos Figueira/USB 45

46 Carlos Figueira/USB 46

47 Comparación Ventajas: Construcciones de alto nivel, modularidad, abstracción Desventajas: Dos estructuras iguales compartidas por procesos diferentes requieren definir dos monitores diferentes. Llamadas anidadas. Dentro de un Monitor, se puede definir otro Monitor, que a su vez puede conducir a bloqueo. Carlos Figueira/USB 47

48 Pase de mensajes Fuerzan la Exclusión Mutua Procesos intercambian información send (destination, message) receive (source, message) Carlos Figueira/USB 48

49 Sincronización Emisor y receptor pueden o no bloquearse (esperando por un mensaje) send/receive bloqueantes Ambos (emisor y receptor) se bloquean hasta que el mensaje es entregado Denominado rendezvous (cita, en francés) Carlos Figueira/USB 49

50 Sincronización Send no bloqueante, receive bloqueante Emisor envía y continúa Receptor se bloquea hasta que llega el mensaje solicitado Send y receive no bloqueantes Ninguna de las dos partes se queda esperando Carlos Figueira/USB 50

51 Direccionamiento Direccionamiento directo Primitiva de envío incluye identificador específico del proceso destino Primitiva de recepción sabe de qué proceso espera mensaje Primitiva de recepción puede usar parámetro de fuente para retornar un valor cuando la operación de recepción se completó Carlos Figueira/USB 51

52 Direccionamiento Direccionamiento indirecto Los mensajes se envían a estructuras de datos (cola) compartidas Las colas se denominan buzones (mailbox) Un proceso envía mensajes al buzón y el otro proceso los toma de allí Carlos Figueira/USB 52

53 S 1 S 1 Port R 1 Port R 1 S n (a) One to one (b) Many to one R 1 S 1 R 1 S 1 Mailbox Mailbox R n S n R n (c) One to many (d) Many to many Figure 5.18 Indirect Process Communication Carlos Figueira/USB 53

54 Formato de mensajes Carlos Figueira/USB 54

55 Carlos Figueira/USB 55

56 Carlos Figueira/USB 56

57 Lectores y Escritores Uno o más lectores pueden simultáneamente leer el archivo Sólo un escritor a la vez puede escribir al archivo Si un escritor está escribiendo, ningún lector puede leer el archivo Carlos Figueira/USB 57

58 Carlos Figueira/USB 58

59 Carlos Figueira/USB 59

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