Sincronización de procesos - diseño de sistemas operativos (2812)

Sincronización de
procesos
Contenido
•  Procesos concurrentes.
•  El problema de la seccion critica
•  Problemas clásicos de comunicación y
sincronización.
•  M e c a n i s m o s d e c o m u n i c a c i ó n y
sincronización.
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Sincronización
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
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Sincronización
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.
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Sincronización
Ejemplo
Procesador 2
Procesador 1
Lee PID
Registro o
posición de memoria
PID = 500
PID = 500
Lee PID
Incrementa y
asigna PID
PID = 501 Escribe PID
PID = 501
PID = 500
Incrementa y
asigna PID
PID = 501
PID = 501
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Escribe PID
Sincronización
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Sincronización
Código del productor
•  El productor no puede escribir en el buffer si está
lleno
•  Comparte con el consumidor: el buffer y el
contador
do {
...
produce un nuevo elemento (elemento_p)‫‏‬
...
while (contador == MAX_ELEMENTOS) haz_nada;
buffer[indice_p] = elemento_p;
indice_p = (indice_p + 1) % MAX_ELEMENTOS;
contador = contador + 1;
} while (TRUE);
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Sincronización
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;
...
consume el elemento (elemento_c)‫‏‬
...
} while (TRUE);
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Sincronización
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
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Sincronización
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
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Sincronización
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Sincronización
¿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
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Sincronización
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
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Sincronización
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
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Sincronización
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
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Sincronización
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);
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Sincronización
Problema de la sección crítica
•  Toda solución debe cumplir tres condiciones
– Exclusión mutua
– Progreso
– Espera limitada
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Sincronización
Tipos de soluciones
•  Soluciones soft. basadas en variables de
control (DecKer,Peterson,..)‫‏‬
•  Soluciones hw. basadas en instrucciones
máquina específicas (test-and-set o
swap)‫‏‬
•  Soluciones basadas en primitivas del SO
(impartido en ARCO 2007-2008)‫‏‬
•  Soluciones basadas en regiones críticas y
monitores
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Sincronización
Problemas clásicos de comunicación
y sincronización
•  El problema del productor-consumidor
•  El problema de los lectores-escritores
•  Comunicación cliente-servidor
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Sincronización
Problema del productorconsumidor
Proceso
Consumidor
Proceso
Productor
Flujo de
datos
Mecanismo de
comunicación
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Sincronización
El problema de los lectores-escritores
Lector
Lector
Escritor
Lector
Escritor
Recurso
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Sincronización
Comunicación clienteservidor
Computador
Computador
Petición
Proceso
cliente
Proceso
servidor
S.O.
Respuesta
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Sincronización
Primitivas del SO para
comunicación y sincronizacion
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
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Sincronización
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?
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Sincronización
Operaciones sobre Semáforos
Wait(s) {
s = s - 1;
if (s < 0) {
<Bloquear al proceso>
}
}
signal(s) {
s = s + 1;
if (s <= 0)‫‏‬
<Desbloquear a un proceso bloqueado por la
operacion wait>
}
}
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Sincronización
Características de los semáforos
• 
• 
• 
• 
Son independientes de la máquina
Son simples
Pueden trabajar con varios procesos
Doble uso de los semáforos:
–  Exclusión mutua
–  Sincronización
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Sincronización
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
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Sincronización
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Sincronización
Productor-consumidor
•  Restricciones:
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
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Sincronización
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?
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Sincronización
Lectores-escritores
•  Descripción:
• 
Los escritores acceden a la BBDD cuando no haya
ningún otro escritor y ningún lector.
• 
• 
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.
• 
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Semáforo escribir
Semáforo exmut
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Sincronización
Iniciación
•  leer = escribir = 0
•  exmut = 1
•  LA = EA = LE = EE = 0
•  Además:
Los escritores tienen prioridad sobre los
lectores
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Sincronización
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;
}
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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);
Sincronización
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
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barberos=0
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exmut=1
esperando=0
Sincronización
Barbero
Cliente
do {
P(clientes);
P(exmut);
esperando=esperando-1;
V(barberos);
V(exmut);
/* Corta el pelo */
} while (TRUE);
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do {
P(exmut);
if (esperando < SILLAS) {
esperando=esperando + 1;
V(clientes);
V(exmut);
P(barberos);
/* Se corta el pelo */
} else {
V(exmut);
}
} while (PELOLARGO);
Sincronización
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
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Sincronización