Sincronización de procesos Sebastián Sánchez Prieto.

Sincronización de procesos

Sebastián Sánchez Prieto

1999-2003 S2P, OGP & IGT Sincronización 2

Tipos de procesos

Independientes Cooperantes

Su estado no es compartido Su estado es compartido

Son deterministas Su funcionamiento no es determinista

Son reproducibles Su funcionamiento puede ser irreproducible

Pueden ser detenidos y rearrancados sin ningún efecto negativo

Ejemplo: un programa que calcula 1000 cifras decimales de pi

Si son detenidos y posteriormenterearrancados puede que se produzcan efectos negativos

Ejemplo: un proceso que escribeen el terminal la cadena “abc” yotro la cadena “cba”


Productor-consumidor

Un proceso produce datos que son posteriormente procesados por otro proceso

i.e.: el manejador de teclado y el programa que recoge los caracteres de un buffer

Lo más cómodo es emplear un buffer circular

Productor Consumidor

Escribe Lee


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);


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);


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;

En lenguaje ensamblador:Productor Consumidor

load r0, contador load r0, contadoradd r0, 1 sub r0, 1store contador, r0 store contador, r0

Problema: la modificación del contador no es atómica Dependiendo de la ejecución relativa de las instrucciones

se puede llegar a diferentes resultados


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

Típicamente la arquitectura proporciona operaciones específicas para lograr la atomicidad

Si el hardware no proporciona operaciones atómicas, éstas no pueden construirse por software


Sincronización

Persona A Persona B

3:00 Mira en la nevera. No hay leche

3:05 Va a la tienda

3:10 Llega a la tienda

3:15 Deja la tienda

3:20 Llega a casa y guarda la leche

3:25

3:30

Mira en la nevera. No hay leche

Va a la tienda

Llega a la tienda

Deja la tienda

Llega a casa y ...


¿Cuál es el problema planteado?

Alguien necesita leche, pero no tanta Definiciones:

Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que sólo una persona o proceso está haciendo algo en un instante determinado (los otros están excluidos)

Sección crítica: es la sección de código, o colección de operaciones, en el que se actualizan variables comunes

Cuando un proceso está ejecutando código de su sección crítica, ningún otro proceso puede estar en esa misma sección crítica


Problema de la sección crítica

Toda solución debe cumplir tres condiciones Exclusión mutua Progreso Espera limitada

Solución general:

do {protocolo de entrada sección críticaprotocolo de salida resto de la sección} while (TRUE);


Tipos de soluciones

Suposiciones: Todos los procesos se ejecutan a una velocidad distinta de

cero Su velocidad relativa no influye

Soluciones basadas en variables de control Soluciones basadas en instrucciones máquina

específicas (test_and_set o swap) Soluciones basadas en primitivas del sistema operativo Soluciones proporcionadas por el lenguaje, regiones

críticas y monitores


Solución con variables de control

Válidas para varios procesadores Suposición: las instrucciones de carga y almacenamiento

son atómicasPrimer intento Ti y Tj comparten la variable turno

Thread Tido {

while (turno != i) haz_nada; sección críticaturno = j; resto de la sección

} while (TRUE);


Segundo intento

Variables compartidas:flag[i] = FALSE;flag[j] = FALSE;

Estas variables indican la intención de los hilos de entrar en sección crítica

Thread Tido { flag[i] = TRUE; while (flag[j]) haz_nada; sección crítica flag[i] = FALSE; resto de la sección} while (TRUE);


Tercer intento (Dekker)

Variables compartidas: int turno, flag[2]; flag[i] = flag[j] = FALSE;Thread Ti

do { flag[i] = TRUE; turno = j; while (flag[j] && (turno == j)) haz_nada; sección crítica flag[i] = FALSE; resto de la sección} while (TRUE);


Sincronización hardware (tas)

int test_and_set (int *destino) {int aux; aux = *destino; *destino = TRUE; return (aux); }

Variable compartida cerrojo iniciada a FALSE

do {while (test_and_set (&cerrojo)) haz_nada; sección críticacerrojo = FALSE; resto de la sección} while (TRUE);


Sincronización hardware (swap)

void swap (int *a, int *b) {int aux; aux = *a; *a = *b; *b = aux; }

Variable compartida cerrojo iniciada a FALSEdo { llave = TRUE; do { swap (cerrojo, llave); } while (llave != FALSE); sección crítica cerrojo = FALSE; resto de la sección} while (TRUE);


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 el semáforo sea positivo, en este momento lo decrementa en 1

V (semáforo) Operación atómica que incrementa el semáforo en 1

¿Cómo quedaría el problema de la sección crítica con semáforos?

P (exmut) Sección críticaV (exmut)


Características de los semáforos

Son independientes de la máquina Son simples Pueden trabajar con varios procesos Pueden permitir que varios procesos entren en la sección

crítica al mismo tiempo en caso de necesitarse esta posibilidad

Doble uso de los semáforos: Exclusión mutua 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

Valores iniciales: smf_llenos = 0smf_vacíos = número_de_buffersexmut = 1


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?


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

protegidas con un semáforo exmut Valores iniciales:

leer = escribir = 0exmut = 1LA = EA = LE = EE = 0

Además: Los escritores tienen prioridad sobre los lectores


Lector EscritorP (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);


Casos particulares

Un lector entra y deja el sistema Un escritor entra y deja el sistema Entran dos lectores al sistema Un escritor entra y debe esperar Un lector entra y debe esperar Los lectores abandonan el sistema y el escritor continúa Los escritores abandonan el sistema, y el último lector

continúa y abandona


Problema del puente estrecho

Por un puente sólo pueden pasar o coches que suben o coches que bajan.

Solución: Variables compartidas:

int contadorsubida = 0;int contadorbajada = 0;

Semáforos:semaforo exmut_s, exmut_b, puente;

Valores iniciales: Los semáforos inicialmente deben valer 1

No se tratan los problemas de inanición


Código subida Código bajada

P(exmut_s); contadorsubida++; if (contadorsubida == 1) P(puente);V(exmut_s);

... Se sube el puente ...

P(exmut_s); contadorsubida--; if (contadorsubida == 0) V(puente);V(exmut_s);

P(exmut_b); contadorbajada++; if (contadorbajada == 1) P(puente);V(exmut_b);

... Se baja el puente ...

P(exmut_b); contadorbajada--; if (contadorbajada == 0) V(puente);V(exmut_b);


Problema de los filósofos



Variables compartidas:exmutsemaforo[N]

Código de cada filósofo:void filosofo (int i) { while (TRUE) { piensa(); toma_tenedores(i); come(); pon_tenedores(i); }} /* Fin de filosofo */



void toma_tenedores(int i) { P(exmut); estado[i] = HAMBRIENTO; comprueba(i); V(exmut); P(semaforo[i]);} /* Fin de toma_tenedores */

void pon_tenedores(int i) { P(exmut); estado[i] = PENSANDO; comprueba((i-1)%N); comprueba((i+1)%N); V(exmut);} /* Fin de pon_tenedores */



void comprueba(int i){ if (estado[i] == HAMBRIENTO && estado[(i-1)%N] != COMIENDO && estado[(i+1)%N] != COMIENDO) { estado[i] = COMIENDO; V(semaforo[i]); }} /* Fin de comprueba */

¿A qué valores se deben iniciar los semáforos? ¿Por qué la función comprueba siempre se

invoca desde una sección crítica?


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


Barbero Cliente

do

{

P(exmut); if (esperando < SILLAS) { esperando++; V(clientes); V(exmut); P(barberos); /* Se corta el pelo */ } else { V(exmut); } } while (PELOLARGO);

do

{

P(clientes); P(exmut); esperando=esperando-1; V(barberos); V(exmut); /* Corta el pelo */ } while (TRUE);


Codificación los semáforos

Las primitivas P y V se realizan por software Razón: P y V se ven implicados en aspectos de

planificación Partimos de la siguiente declaración:

typedef struct { int contador; (cola q;) int t; /* Para multiprocesadores */} SEMAFORO;

En el caso de los semáforos con espera activa el código entre paréntesis sobra


P y V en spin locks (espera activa)

P (SEMAFORO *s) { while (1) { cli; if (s->contador > 0) { s->contador-=1; sti; return; } sti; } /* fin del while */}

V (SEMAFORO *s) { cli; s->contador+=1; sti;}


P y V en sistemas uniprocesador

P (SEMAFORO *s) { cli; if (s->contador > 0) { s->contador-=1; sti; return; } Añadimos proc. a s->q; sti; Planificación;}

V (SEMAFORO *s) { cli; if (s->q == vacía) { s->contador+=1; } else { Sacar proceso de s->q; Despertarlo; } sti;}


P y V en sistemas multiprocesador

P (SEMAFORO *s) { while (TAS(s->t) != 0); if (s->contador > 0) { s->contador- = 1; s->t = 0; return; } Añadimos proc. a s->q s->t = 0; Planificación}

V (SEMAFORO *s) { while (TAS(s->t) != 0); if (s->q vacía) { s->contador+ = 1; } else { Sacar proceso de s->q; Despertarlo; } s->t = 0;}


Comunicación con mensajes Válido para comunicación intermáquina Definición:

Mensaje: parte de información que es pasada de un proceso a otro

Buzón: lugar donde se depositan los mensajes desde el envío a la recepción

Operaciones sobre mensajes: Enviar Recibir

Métodos de comunicación Comunicación en un único sentido: los mensajes fluyen en un

único sentido Ejemplos: Tuberías de UNIX, productor-consumidor y streams

Comunicación bidireccional: los mensajes fluyen en ambos sentidos

Ejemplos: Llamadas a procedimientos remotos (RPC´s) o el modelo cliente-servidor


Ejemplos

Productor:int mensaje1[1000];while (1) { --Preparamos el mensaje1-- enviar (mensaje1, buzón);}

Cliente:char resp[1000];envia(“leer vax”, buzon1);recibir (resp, buzon2);

Consumidor:int mensaje2[1000];while (1) { recibir (mensaje2, buzón); --Procesamos el mensaje2--}

Servidor:char orden[100];char resp[1000];recibir (orden, buzon1);enviar (resp, buzon2);


¿Por qué utilizar mensajes?

Muchas aplicaciones responden a este esquema Las partes que se comunican pueden ser completamente

independientes. Ventajas:

Es más difícil que se produzcan errores Permite que los procesos no confíen entre sí Las aplicaciones pueden ser escritas por programadores y

en tiempos diferentes Los procesos pueden correr en diferentes procesadores,

conectados a través de una red


Implementación de los mensajes Nombres

Comunicación simétrica Comunicación asimétrica

Copiado Paso por valor: es lento y obligatorio en sistemas sin memoria

compartida Paso por referencia: es rápido pero hay problemas con su

modificación Híbrido: copy_on_write (COW)

Bloqueo versus no bloqueo Enviar y recibir pueden ser bloqueantes o no Formas de espera en un buzón:

Varios procesos pueden esperar en un buzón Un proceso puede esperar en varios buzones

Longitud Mensajes de longitud fija Mensajes de longitud variable

Sincronización de procesos Sebastián Sánchez Prieto.

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