Paso de Mensajes

Paso de Mensajes
Sistemas Operativos
Mensajes permiten:
Paso de Mensajes
Sincronización de procesos
Comunicación entre procesos
Mario Medina ([email protected])
Aptos para:
Sistemas distribuidos
Sistemas multiprocesadores
Sistemas monoprocesadores con memoria compartida
Beware of bugs in the above code;
I have only proved it correct, not tried it.
Primitivas básicas
Cuidado con errores en el código anterior;
demostré que está correcto, pero no lo he probado.
Donald E. Knuth
send(dest, msg) Enviar mensaje msg a proceso destino dst
receive(orig, msg) Recibir mensaje msg desde proceso origen
orig
Parámetros de implementación
Tipo de sincronización
Direccionamiento
Formato de los mensajes (largo fijo, variable, etc.)
Polı́tica de las colas (FIFO, prioridades, etc.)
Sistemas Operativos, 2008-1
Sistemas Operativos, 2008-1
Sincronización de mensajes
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Direccionamiento de Mensajes
Mensajes send(dest, msg)
Cómo especificar los procesos que envı́an y deben recibir
Bloqueante Proceso se bloquea hasta que se recibe el mensaje
No Bloqueante Proceso no se bloquea
Direccionamiento Directo primitivas incluyen identificador
unı́voco del proceso con el que se quiere comunicar
Requiere conocer de antemano los procesos origen y destino
Mensajes receive(orig, msg)
Direccionamiento Implı́cito Identificador de proceso que recibirá mensaje incluı́do en mensaje recibido anteriormente
Bloqueante Proceso se bloquea hasta que se llega un mensaje
No Bloqueante Proceso no se bloquea
send() bloqueante, receive() bloqueante (Rendez-Vous)
• Combinación permite sincronización estricta entre varios
procesos
send() no bloqueante, receive() bloqueante
• Combinación más común
• Requiere de mensajes de respuesta para acusar recibo
(ACK)
Sistemas Operativos, 2008-1
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Direccionamiento Indirecto Mensajes se envı́an a un buzón
ó casilla (mailbox)
Este esquema desacopla al emisor y al receptor
Buzones pueden ser estáticos o dinámicos
Quién es el propietario del buzón?
• Proceso origen
• Proceso destino
• Sistema
Sistemas Operativos, 2008-1
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Exclusión Mutua con Mensajes
send() no bloqueante
S1
S1
Port
R1
receive() bloqueante
•
•
•
R1
Port
Sn
(a) One to one
S1
Mailbox
(b) Many to one
R1
S1
•
•
•
•
•
•
Rn
Sn
(c) One to many
R1
•
•
•
Mailbox
Rn
(d) Many to many
Buzón mutex usado para asegurar exclusión mutua
• Buzón inicialmente tiene un mensaje
◦ En este caso, contenido del mensaje es irrelevante
• Proceso retira mensaje antes de entrar a sección crı́tica
• Proceso devuelve mensaje al buzón al salir de sección crı́tica
Exclusión Mutua
while(true) {
receive(mutex, msg);
/* Seccion critica */
send(mutex, msg);
}
Buzón con mensajes actúa como un semáforo
Sólo un proceso puede retirar el mensaje, y el resto se bloquea
Figure 5.18 Indirect Process Communication
Cuando el proceso retorna el mensaje al buzón
• Se elige algún proceso bloqueado y éste retira el mensaje
Sistemas Operativos, 2008-1
Productor/Consumidor usando Mensajes
Productor/Consumidor con Buffer Finito usando
Mensajes
Requiere de un buffer (buzón) infinito
Productor envı́a mensajes con datos al buzón
Consumidor retira mensajes con datos desde el buzón
• Si buzón está vacı́o, consumidor se bloquea en espera de
mensajes
Productor
while(true) {
msg = producir();
send(buzon, msg);
}
Consumidor
while(true) {
recv(buzon, msg);
consumir(msg);
}
Qué pasa si capacidad del buzón es finita?
Productor necesita saber si hay espacio en el buzón para los
datos
Sólo consumidor sabe cuántos datos ha retirado del buzón
• Consumidor debe enviar esta información al productor
Se requieren dos buzones!
• consBuzon y prodBuzon
• Se definen dos canales de comunicación unidireccional
Sistemas Operativos, 2008-1
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Productor transmite el dato a consumir en el mensaje msgProd
• Productor agrega mensajes con datos a consBuzon
• Consumidor remueve mensajes de consBuzon y envı́a mensajes vacı́os a prodBuzon
◦ Contenido de mensajes del consumidor es irrelevante
◦ Número de mensajes en prodBuzon indica cuántos datos
el consumidor puede recibir
◦ Inicialmente, prodBuzon se llena con n mensajes vacı́os
• Si prodBuzon está vacı́o, productor se bloquea
• Si consBuzon está vacı́o, consumidor se bloquea
Productor
while(true) {
recv(prodBuzon, msgProd);
msgProd = producir();
send(consBuzon, msgProd);
}
Consumidor
while(true) {
recv(consBuzon, msgCons);
consumir(msgCons);
send(prodBuzon, NULL);
}
Para pensar: Dónde está la exclusión mutua?
Sistemas Operativos, 2008-1
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Solución via semáforos: lectores tienen prioridad
Problema de los Lectores/Escritores
Área de datos compartida
Lectores sólo leen datos
Escritores sólo escriben datos
Solución debe cumplir con reglas
• Cualquier número de lectores puede leer simultáneamente
• Sólo un escritor puede escribir en un instante dado
• Si un escritor está modificando datos, ningún lector puede
leerlos
Solución: Proteger área compartida con semáforos
• Inconveniente: un proceso accesa datos a la vez
• Lectores no modifican los datos
◦ Permitir acceso de lectores en paralelo
Lectores tienen prioridad
• Si un lector tiene acceso a los datos, otros lectores pueden
hacerlo también
• Peligro de inanición para los escritores
Escritores tienen prioridad
• Una vez que un escritor ha declarado su intención de
escribir, nuevos procesos lectores no tienen acceso a datos
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Solución via semáforos: escritores tienen prioridad
Semáforo writeSem controla exclusión mutua
• Valor inicial: 1
Semáforo readSem inhibe las lecturas mientras haya al menos
un escritor que acceda a los datos
• Valor inicial: 1
Variable readCount cuenta a los lectores
Variable writeCount cuenta a los escritores
Semáforo readMutex protege variable readCount
• Valor inicial: 1
Semáforo writeMutex protege variable writeCount
• Valor inicial: 1
Semáforo z encola a procesos lectores que intentan leer cuando
hay un proceso escritor activo
• Valor inicial: 1
• Nuevos procesos escritores tienen prioridad
• Procesos lectores deben esperar que todos los procesos
escritores hayan terminado antes de proseguir
• Primer lector se bloquea en semáforo readSem
• Lectores siguientes se bloquean en semáforo z
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Semáforo writeSem controla exclusión mutua entre lectores y
escritores (valor inicial: 1)
Variable readCount cuenta a los lectores
Semáforo x protege variable readCount
• Controla exclusión mutua entre lectores
Lector
while (true) {
wait(x);
readCount++;
if (readCount == 1) {
wait(writeSem);
}
signal(x);
ReadData();
wait(x);
readCount−−;
if (readCount == 0) {
signal(writeSem);
}
signal(x);
}
Escritor
while (true) {
wait(writeSem);
WriteData();
signal(writeSem);
}
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Solución via semáforos: escritores tienen
prioridad (2)
Lector
while (true) {
wait(z);
wait(readSem);
wait(readMutex);
readCount++;
if (readCount == 1) {
wait(writeSem);
}
signal(readMutex);
signal(readSem);
signal(z);
ReadData();
wait(readMutex);
readCount−−;
if (readCount == 0) {
signal(writeSem);
}
signal(readMutex);
}
Sistemas Operativos, 2008-1
Escritor
while (true) {
wait(writeMutex);
writeCount++;
if (writeCount == 1) {
wait(readSem);
}
signal(writeMutex);
wait(writeSem);
WriteData();
signal(writeSem);
wait(writeMutex);
writeCount−−;
if (writeCount == 0) {
signal(readSem);
}
signal(writeMutex);
}
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Solución via paso de mensajes: escritores tienen
prioridad
Proceso controlador
Controlador
Tres tipos de procesos
Lectores solicitan acceso de lectura vı́a mensaje a buzón
readReq
Escritores solicitan acceso de escritura vı́a mensaje a buzón
writeReq
Cada proceso reciben autorización de acceso en un buzón propio
Identificados por readID y writeID, respectivamente
Cada proceso indica fin de acceso mediante mensaje al buzón
done
Controlador da servicio a los mensajes de lectores y escritores
Da prioridad a escritores sobre los lectores
Asegura exclusión mutua entre escritores
Asegura acceso paralelo de varios lectores
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Código de los procesos Lectores y Escritores
Sistemas Operativos, 2008-1
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Controlador
while (true) {
if (count > 0) {
if (notEmpty(done)) {
receive(done, msg);
count++;
} else if (notEmpty(writeReq)) {
receive(writeReq, writeID);
count = count - 100;
} else if (notEmpty(readReq)) {
receive(readReq, readID);
count−−;
send(buzon[readID], NULL);
}
}
if (count == 0) {
send(buzon[writeID], NULL);
receive(done, msg);
count = 100;
}
while(count < 0) {
receive(done, msg);
count++;
}
}
Lector
while (true) {
msg = readID;
send(readReq, msg);
receive(buzon[readID], msg);
ReadData();
msg = readID;
send(done, msg);
}
Escritor
while (true) {
msg = writeID;
send(writeReq, msg);
receive(buzon[writeID], msg);
WriteData();
msg = writeID;
send(done, msg);
}
Sistemas Operativos, 2008-1
Variable count se inicializa a algún número grande
• Tres casos
• Si count > 0, no hay escritores esperando y puede o no
haber lectores activos
◦ Atender todos los mensajes en buzón done
◦ Luego, atender a los escritores que solicitan acceso
◦ Luego, atender a los lectores que solicitan acceso
• Si count == 0
◦ Un escritor ha solicitado acceso a los datos y no hay
lectores activos
◦ Enviar mensaje NULL a buzón del escritor
◦ Esperar su mensaje done
◦ hacer count = 100 para permitir acceso de futuros
lectores
• Si count < 0
◦ Un escritor ha solicitado acceso a los datos y hay lectores
activos
◦ Procesar sólo mensajes de lectores en buzón done
count < 0 bloquea futuros lectores hasta que count
sea 0
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Problema de la barberı́a
Una barberı́a tiene
• 3 barberos
• 3 sillas de barbero
• 1 caja registradora
• Un sofá para 4 personas
• Una sala de espera para el resto de los clientes
Barber chairs
Medidas contra incendios limitan el número de personas en la
barberı́a a 20
Cashier
Entrance
Un cliente no entrará a la barberı́a si la capacidad está copada
Una vez dentro, se sienta en el sofá si está libre, o queda de
pie
Un barbero libre atiende al cliente que lleva más tiempo en el
sofá y el cliente que lleva más tiempo de pie se sienta en el
sofá
• Polı́tica FIFO impide inanición
Standing
room
area
Al terminar el corte, cualquier barbero puede aceptar el pago
• Sólo un cliente paga a la vez
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Figure 5.18 The Barbershop
Cliente de la barberı́a
Semáforo capacidad regula el número de clientes en la barberı́a
• Valor inicial = 20
Semáforo sofá: el cliente espera por el sofá
Semáforo sillaBarbero: el cliente espera por una silla libre
Semáforo clienteListo: barbero espera que cliente se siente
Semáforo terminado: el barbero terminó su labor
Semáforo dejarSilla: barbero espera que el cliente desocupe
la silla
Semáforo pago: el cajero espera por el pago
Semáforo recibo: el cliente espera por el recibo
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Sofa
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Solución usando Semáforos
Barbero
while (true) {
wait(clienteListo);
wait(coord);
CortarPelo();
signal(coord);
signal(terminado);
wait(dejarSilla);
signal(sillaBarbero);
}
Exit
Cajero
while (true) {
wait(pago);
wait(coord);
RecibirPago();
signal(coord);
signal(recibo);
}
Cliente
while (true) {
wait(capacidad);
entrarBarberı́a();
wait(sofa);
sentarseSofa();
wait(sillaBarbero);
levantarseSofa();
signal(sofa);
sentarseSillaBarbero();
signal(clienteListo);
wait(terminado);
levantarseSillaBarbero();
signal(dejarSilla);
pagar();
signal(pago);
wait(recibo);
salirBarberia();
signal(capacidad);
}
Solución mostrada usa semáforos como señales
Ojo: solución presentada no es perfecta!
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