07/10/2018
Parte III: Concurrencia
Lenguajes de Programación III
Lic.
Rodrigo
Velázquez
Ing.
Gustavo
Sosa
Capítulo 12. POSIX Threads
Capítulo 13. Thread Synchronization
Capítulo 14. Critical Sections and Semaphores
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Capítulo 14. Critical Sections and Semaphores
Los programas que administran recursos compartidos
deben ejecutar partes de código denominadas secciones
críticas de manera mutuamente exclusiva. Este capítulo
analiza cómo surgen las secciones críticas y cómo
proteger su ejecución por medio de semáforos. Después
de presentar una descripción general de la abstracción
del semáforo.
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Tratar con las secciones críticas
Imagine un sistema informático en el que todos los usuarios
compartan
una
sola
impresora
y
puedan
imprimir
simultáneamente. ¿Cómo aparecerá la salida? Si las líneas de
trabajos de los usuarios estuvieran entremezcladas, el sistema
sería inutilizable. Los dispositivos compartidos, como las
impresoras, se denominan recursos exclusivos porque deben ser
accedidos por un proceso a la vez. Los procesos deben ejecutar el
código que accede a estos recursos compartidos de forma
mutuamente exclusiva.
Una sección crítica es un segmento de código que debe
ejecutarse de manera mutuamente exclusiva, es decir, solo un hilo
de ejecución puede estar activo en sus límites. Por ejemplo, el
código que modifica una variable compartida se considera parte
de una sección crítica, si es posible que otros subprocesos de
ejecución accedan a la variable compartida durante la
modificación. El problema de la sección crítica se refiere al
problema de ejecutar el código de la sección crítica de manera
segura, justa y simétrica.
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Semáforos
En 1965, E. W. Dijkstra, propuso la abstracción de
semáforos para la gestión de alto nivel de exclusión
mutua y sincronización.
Un semáforo es una variable entera con dos operaciones
atómicas, wait y signal. Otros nombres para wait son; P
y lock. Otros nombres para signal son up, V, unlock t
post.
Si S es mayor que cero, wait prueba y disminuye S en
una operación atómica. Si S es igual a cero, wait prueba
S y bloquea la llamada en una operación atómica.
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Semáforos
Si los subprocesos están bloqueados en el semáforo, S
es igual a cero y signal desbloquea uno de estos
subprocesos en espera. Si no hay bloqueos en el
semáforo, signal aumenta S. En la terminología POSIX:
SEM, las operaciones wait y signal se denominan
bloqueo de semáforo y desbloqueo de semáforo,
respectivamente. Podemos pensar en un semáforo como
un valor entero y una lista de procesos que esperan una
operación de señal.
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Semáforos – Ejemplos
void wait(semaphore_t *sp) {
if (sp->value > 0)
sp->value--;
else {
<Add this process to sp->list>
<block>
}
}
void signal(semaphore_t *sp) {
if (sp->list != NULL)
<remove a process from sp->list and put in ready state>
else
sp->value++;
}
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Semáforos
Las operaciones de wait y signal deben ser atómicas.
Una operación atómica es una operación que, una vez
iniciada, se completa de una manera lógicamente
indivisible (es decir, sin ninguna otra instrucción
relacionada intercalada). En este contexto, ser atómico
significa que si un proceso llama a wait, ningún otro
proceso puede cambiar el semáforo hasta que el
semáforo se decremente o el proceso de llamada se
bloquee. La operación de signal es atómica de manera
similar. Las implementaciones de semáforos utilizan
operaciones atómicas del sistema operativo subyacente
para garantizar la ejecución correcta.
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Semáforos – Ejemplos
El siguiente pseudocódigo protege una sección
crítica si la variable de semáforo S es inicialmente 1
wait(&S); /* entry section or gatekeeper */
<critical section>
signal(&S); /* exit section */
<remainder section>
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POSIX:SEM - Semáforos sin nombre
Un semíforo POSIX: SEM es una variable de tipo sem_t
con operaciones atómicas asociadas para inicializar,
incrementar y disminuir su valor. La extensión de
semáforo POSIX: SEM define dos tipos de semáforos,
con nombre y sin nombre. Una implementación admite
los
semáforos
POSIX:
SEM
si
define
_POSIX_SEMAPHORES en unistd.h. La diferencia entre
semáforos sin nombre y con nombre es análoga a la
diferencia entre tuberías ordinarias y tuberías con
nombre (FIFO).
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POSIX:SEM - Semáforos nombrados
POSIX:SEM los semáforos nombrados pueden sincronizar
procesos que no comparten memoria. Los semáforos
nombrados tienen un nombre, una ID de usuario, una ID de
grupo y permisos, al igual que los archivos. Un nombre de
semáforo es una cadena de caracteres que se ajusta a las
reglas de construcción para un nombre de ruta. POSIX no
requiere que el nombre aparezca en el sistema de archivos,
ni especifica las consecuencias de que dos procesos se
refieran al mismo nombre a menos que el nombre comience
con el carácter de barra diagonal. Si el nombre comienza con
una barra (/), entonces dos procesos (o hilos) que abren el
semáforo con ese nombre se refieren al mismo semáforo. En
consecuencia, siempre use nombres que comiencen con /
para POSIX:SEM con semáforos nombrados. Algunos
sistemas operativos imponen otras estricciones en los
nombres de semáforos.
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Crear y abrir semáforos nombrados
La función sem_open establece la conexión entre un
semáforo nombrado y un valor sem_t. El parámetro de
nombre es una cadena que identifica el semáforo por
nombre.
#include <semaphore.h>
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, ...);
Si tiene éxito, la función sem_open devuelve la dirección del
semáforo. Si no tiene éxito, sem_open retorna SEM_FAILED
y establece errno.
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Cierre y desvinculación de semáforos nombrados.
POSIX:SEM
los
semáforos
nombrados
tienen
permanencia más allá de la ejecución de un solo
programa. Los programas individuales pueden cerrar los
semáforos nombrados con la función sem_close, pero al
hacerlo no se elimina el semáforo del sistema. El
sem_close toma un solo parámetro, sem, especificando
el semáforo que se cerrará.
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POSIX:SEM Operaciones de semáforo.
La función sem_post implementa la señalización de
semáforo clásica. Si no se bloquean subprocesos en
sem, entonces sem_post incrementa el valor del
semáforo. Si al menos un hilo está bloqueado en sem,
entonces el valor del semáforo es cero. En este caso,
sem_post hace que uno de los subprocesos bloqueados
en sem regrese de su función sem_w a it, y el valor del
semáforo permanece en cero. La función sem_post es
segura para la señal y puede llamarse desde un
manejador de señal.
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POSIX:SEM Operaciones de semáforo.
La función sem_wait implementa la operación clásica de
espera de semáforo. Si el valor del semáforo es 0, el
subproceso de la llamada se bloquea hasta que se
desbloquea con una llamada correspondiente a
sem_post o hasta que se interrumpe por una señal. La
función sem_try w ait es similar a sem_ w ait, excepto
que en lugar de bloquear al intentar disminuir un
semáforo de valor cero, devuelve –1 y establece errno
en EAG AIN .
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