Sistemas multiprogramados Comparten recursos del

Marisa Gil
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Introducción a los Sistemas Operativos
CONCURRENCIA
Concurrencia
Sistemas multiprogramados
1. Introducción. Concurrencia y paralelismo.
2. Comunicación y sincronización.
3. Exclusión mutua y sincronización.
4. Modelos de programación.
5. Memoria Compartida.
Postulados de Dijkstra.
6. Paso de mensajes.
7. Abrazo mortal (deadlock).
Estado seguro.
Varios procesos coexisten en el mismo tiempo en el sistema.
• Comparten recursos del sistema
impresora
red
ficheros
• Participan en la realización de un trabajo
comandos con pipes
procesos padre/hijos/hermanos
Bibliografía
Silberschatz and Galvin
Sistemas Operativos. Conceptos fundamentales.
Parte I: Aspectos generales
Birrell
An Introduction to Programming with threads
Digital SRC, 1.989
Thuan Q.Pham and PanKaj K.Garg
Multithreaded Programming with Win32
Prentice-Hall, PTR, 1.999
En alabi: ~marisa/pub/concu_slides.ps o concu_slides.pdf
Introducció als Sistemes Operatius
Introducció als Sistemes Operatius
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Marisa Gil
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
Comparten recursos del sistema
A
Cooperan en realizar un trabajo: filtros
$ who | wc -l
imprimir()
stdin
no se envía a la
impresora, sino
a un fichero en
disco (dispositivo compartible)
B
imprimir()
C
2
imprimir()
Introducció als Sistemes Operatius
who
stdout
wc -l
stdout
la impresora estará
imprimiendo un fichero
de modo no compartible
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
Relación padre/hijo
padre
Relación hermanos
write(fd[1],&i, sizeof(int))
links ptro L/E acceso i-node
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hijo1:
read(fd[0],&x, sizeof(int))
padre:
TFA (open table)
rw
5
hijo2:
read(fd[0],&y, sizeof(int))
T.C.
Una operación del padre (read, write, lseek...)
modificará el puntero también para el hijo,
y viceversa.
hijo
No se puede saber de antemano qué hijo leerá el “5” y qué hijo
se quedará bloqueado hasta que el padre entre otro número.
T.C.
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
Ventajas de la Programación Concurrente
Concurrencia y paralelismo
• Hay concurrencia entre varios procesos cuando existen al mismo tiempo.
PROCESOS CONCURRENTES
• Programación modular
• Considerar aisladamente cada tarea
• Hay paralelismo entre varios procesos cuando se ejecutan al mismo tiempo.
PROCESOS PARALELOS
• Aprovechar desde un programa el paralelismo (multiprocesadores).
• El paralelismo requiere un soporte físico: varios procesadores.
• La concurrencia es el caso general y el paralelismo un caso particular.
• La concurrencia (y el paralelismo) se refiere a la ejecución de código:
Hay procesos concurrentes y flujos concurrentes.
• Tratar el trabajo con E/S lenta con flujos dedicados.
• el flujo principal del programa puede seguir trabajando
• Atención a varias peticiones simultáneas (sistemas distribuidos)
• Hablaremos en general de flujos concurrentes:
Pueden ser del mismo proceso o diferentes procesos.
Pueden correr en un único procesador o varios.
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
Algunos ejemplos de concurrencia
Programación Concurrente
Master/Slave
S
Peticiones
• Avance de una tarea con múltiples puntos de ejecución.
• Cada punto de ejecución es un “thread”.
• El trabajo de cada thread “se ve” simultáneo desde el programa.
• Son parte de la misma tarea y hay puntos de encuentro
M
S
cola de
trabajos
Spooler
S
• Sincronización
• Comunicación
• La gestión de la concurrencia se hace por software
Dispositivo
Datos
Filtro
• Sistema operativo
• Librerías
• No consideramos hardware “especializado”
Pantalla
Productor/Consumidor
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
El proceso y el flujo
Librerías de flujos
• Proceso (o task): unidad de asignación de recursos:
• Se ofrece la posibilidad de cambio de contexto, entidades de flujo y primitivas de sincronización
• Se ofrece un interfaz de trabajo, pero se puede acceder a cualquier rutina
pública.
• La planificación de flujos es totalmente transparente al SO
• espacio de direcciones (registros de la MMU)
• tabla de canales (y por tanto, dispositivos asignados)
• etc....
• Flujo: unidad de ejecución
• código
• pila
• registros del procesador
• No sabe la concurrencia que hay en la librería.
• Sólo podrá haber tanto paralelismo como “procesadores virtuales”
ofrezca.
• Un bloqueo de un servicio del SO, impide la planificación de cualquier flujo.
• En UNIX cada proceso sólo puede tener un flujo:
• el concepto “proceso” engloba todo.
• Los signals permiten que el proceso sea avisado de acontecimientos.
• A través del sistema de ficheros, los procesos pueden pasarse datos.
• El espacio de direcciones es privado para cada proceso (para cada flujo).
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
EJEMPLO: Calcular concurrentemente
Comunicación y sincronización
f(x) = 2(3x + 4)
/*padre*/
f1, f2,f3
• Varios procesos o flujos que cooperan en una tarea, están relacionados
- Necesitan comunicarse:
X
main()
• pasarse datos,
• enviarse avisos
f1 = crear_fluxe(flux1, (long)0);
f2 = crear_fluxe(flux2,(long)0);
f3 = crear_fluxe(flux3,(long)0);
- Necesitan sincronizarse:
• esperar que haya cambiado un estado
• ordenar temporalmente sus acciones
No puede predecirse la velocidad de dos procesos concurrentes
/*flujo 1*/
/*flujo 3*/
/*flujo 2*/
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
Ejemplo: compilador y ensamblador concurrentes
var lista_de_lineas_de_texto;
Algunos conceptos básicos de la concurrencia
fichero objeto
........
process COMP
{ leer de fichero fuente
traducir de LAN a ASM
almacenar código en lineas }
process ASS
{ leer y ensamblar lineas
sucesivas }
El compilador produce código ensamblador para el ensamblador y
el ensamblador produce código objeto para el cargador.
Los dos procesos están trabajando con los mismos datos, la lista de líneas, pero ha
de garantizarse el acceso en el orden adecuado.
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• Nunca se puede predecir nada sobre la velocidad de los procesos.
- Condición de carrera (race condition) en el acceso a los datos.
• La exclusión mutua garantiza que no haya un cambio de condiciones desconocido.
- Sección crítica de código de acceso a los datos.
- Secuencialización en el acceso de los diferentes flujos a la S.C.
- Ejecución atómica respecto al estado.
• Diferentes modelos de programación dan diferentes soluciones a la correcta comunicación entre procesos concurrentes.
- Memoria compartida.
- Paso de mensajes.
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CONCURRENCIA
CONCURRENCIA
Modelos de programación
Memoria compartida
• Desde el punto de vista de la sincronización y comunicación entre procesos.
• Exclusión mutua
• Postulados de Dijkstra
• Secuencialización (tipos de espera)
• Protocolos
• Herramientas
• Los dos modelos básicos que existen tradicionalmente:
- Memoria compartida:
• los procesos comparten variables, y se pasan información a través de ellas
• la aplicación es la responsable de la corrección del trabajo (mutex, etc)
• es la comunicación natural entre flujos de un mismo proceso
• entre procesos, el SO ha de permitir tener una zona de memoria compartida
- Paso de mensajes:
• el SO se encarga de la comunicación
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MEMORIA COMPARTIDA
MEMORIA COMPARTIDA
Exclusión mutua
Postulados de Dijkstra
• Trabajar con una secuencia de código que necesita ser accedida en exclusividad
- protocolo de entrada, que garantice esa exclusividad
- protocolo de salida, para avisar que la zona ha quedado libre
Requisitos para garantizar un funcionamiento correcto:
• Exclusión mutua: como máximo, hay un proceso ejecutando la sección crítica.
• Progreso: no se puede postponer indefinidamente la decisión de qué proceso entre
varios entra primero en la zona.
Protocolo de entrada
• Espera acotada: existe un límite en el tiempo de espera de un proceso desde que pide
entrar en la sección crítica hasta que puede entrar.
ZONA ACCEDIDA
EN MUTEX
• Atomicidad: se asume que las instrucciones de lenguaje máquina se ejecutan atómicamente.
Protocolo de salida
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MEMORIA COMPARTIDA
MEMORIA COMPARTIDA
Mecanismos de espera en la entrada a la S.C.
Procolos de E/S en la sección crítica
• Pueden implementarse en hardware o en software
• El protocolo de entrada ha de ser accedido él mismo en mutex
• Espera activa: un proceso se queda esperando en un bucle de encuesta.
- Spin lock o busy waiting
- Si hay muchos candidatos, incumple los postulados de Dijkstra
• Bloqueo: un proceso que no puede entrar cede el procesador.
- El protocolo de salida se encarga del desbloqueo
- Permite seleccionar al siguiente candidato de entrada
- Coste adicional de la gestión del bloqueo/desbloqueo de flujos
• varios procesos compiten concurrentemente por la entrada
• Un monoprocesador es siempre menos restrictivo que un multiprocesador
• No hay paralelismo real
• Pueden utilizarse algoritmos más sencillos
• Peligro de pasar aplicaciones de un sistema a otro
• Puntos básicos en un monoprocesador
- inhibición de interrupciones (no siempre es necesario)
- mantener la atomicidad sin desbanque del procesador
• A nivel de hardware:
- inhibición de interrupciones
- instrucciones de lectura y modificación atómica
• Mixto a dos niveles: mantener la espera activa un tiempo y luego bloquear.
• test&set
• fetch&add, fetch&swap....
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MEMORIA COMPARTIDA
SEMAFOROS
Protocolos software
Semáforos
• Algoritmos diseñados por el programador
- generalmente, recaerán en una espera activa
• Herramienta que permite la sincronización entre flujos.
• Tipo abstracto de datos (TAD) que consta de un contador y una cola.
• Operaciones sobre un semáforo:
- wait(semaforo)
- signal(semaforo)
- además: init_semaforo(semaforo, contador), crear_semaforo(...),...
• Es un mecanismo de bloqueo.
• Si es una herramienta que ofrece el SO, las operaciones son llamadas al sistema.
• Herramientas ofrecidas por el entorno de trabajo (sistema, librería, lenguaje)
- ofrecen mecanismos de bloqueo de procesos que esperan entrar
• semáforos
• monitores
• regiones críticas
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SEMAFOROS
SEMAFOROS
Semáforos
Primitivas de los semáforos
typedef struct
{
cua_id cua;
int
compt;
}
semafor_t;
typedef semafor_t *sem_id;
primitiva sem_wait(sem)
si contador es menor o igual que cero entonces bloquea
contador = contador - 1
primitiva sem_signal(sem)
si contador es menor que cero entonces desbloquea
contador = contador + 1
sem_id crear_sem(int compt_ini);
int sem_signal(sem_id semafor);
int sem_wait(sem_id semafor);
int destruir_sem(sem_id semafor);
• Se realiza estas secuencias atómicamente
- Las primitivas wait y signal son ininterrumpibles
- El semáforo es un objeto accedido él mismo en exclusión mutua.
• El orden de inserción y extracción de la cola no es necesariamente FIFO
- Si no es FIFO, no cumple los postulados de Dijkstra
#define sem_ini(sem, n) sem = crear_sem(n)
#define sem_init(sem, n) sem = crear_sem(n)
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SEMAFOROS
SEMAFOROS
Tipos de semáforos
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Funcionalidades del semáforo
• Semáforos binarios
- El contador sólo puede tomar los valores 0 y 1
- Se llaman también semáforos sin memoria
Un semáforo puede utilizarse para:
• Sincronización entre procesos o flujos
• Exclusión mutua entre flujos (modelo de memoria compartida)
• Filtro
• no pueden acumular signals
• Semáforos generales
- El contador puede tomar cualquier valor positivo o negativo
• Semáforos múltiples
- Permite hacer wait o signal sobre varios semáforos a la vez
- Algunas versiones de UNIX (System V) los ofrecen
Exclusión mutua:
S=1
repeat
wait(S)
sec. crit.
signal(S)
forever;
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Sincronización:
S=0
P1
P2
wait(S)
Filtro:
S=N
signal(S)
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TEST-AND-SET
SEMAFORO
Instrucciones especiales de LM: test&set
El semáforo como herramienta de exclusión mutua
De manera atómica (sin interrupción):
A
valor que
devuelve la
función
er
• Tiene que dajar pasar como máximo a un proceso: 1 postulado
- contador inicializado a 1
• Si hay varios esperando, entra el que primero ejecute el signal: 2o postulado
- las operaciones sem_wait/sem_signal son atómicas
- signal al salir de la sección crítica
• Todo proceso acaba entrando: 3er postulado
- sólo garantizado si la cola del semáforo es FIFO
carga un “1”
Como protocolo de exclusión mutua:
A = 0;
de
while (!tas(&A)); Protocolo
entrada
SECCIÓN CRÍTICA
A = 0; Protocolo de salida
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PASO DE MENSAJES
PASO DE MENSAJES
Paso de mensajes
Componentes de la comunicación
• La comunicación corre a cargo del sistema operativo
• llamadas al sistema
proceso A
proceso B
send to B
receive from A
• Mensaje:
- Tamaño fijo/tamaño variable
- Mensajes especiales de control o sincronización
Usuario
S.O.
comunicación a través del S.O.
• No son modelos excluyentes (memoria compartida y paso de
mensajes)
• Paradigmas de comunicación:
- Cliente/servidor
- Rendez-vous (sincronización)
- etc...
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• Canal: implementación lógica que hace el sistema para llevar los mensajes de un proceso a otro.
- a través de memoria compartida (misma máquina)
- a través de cable
- vía satélite, ...
- combinación de varios medios
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PASO DE MENSAJES
PASO DE MENSAJES
Características del canal
Tipos de comunicación (I)
• Permanente o temporal
- coste de creación/destrucción
- número máximo de objetos del isstema
• Protegido o desprotegido
- propietario del canal
- derechos de acceso
• Lógico o físico
- estructura de datos del sistema
- soporte hardware
• Con capacidad o sin capacidad
- poder mantener un número determinado de mensajes
- capacidad infinita, N o 0 (rendez-vous, hand-shake)
- comunicación síncrona/asíncrona
• FIFO o seleccionable
- mensajes con prioridad
- mensajes de control
- canales multicola
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• Unidireccional/Bidireccional
- número de canales entre procesos
Proceso 1
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PASO DE MENSAJES
PASO DE MENSAJES
Tipos de comunicación (II)
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Tipos de comunicación (III)
• Directa/indirecta
- Buzones o ports
- Permisos de acceso
Proceso 1
Proceso 2
• Simétrica/asimétrica
- parte cliente/parte servidor
- comunicaciones “en igualdad”
Proceso 2
Proceso 2
servidor
send(servidor,petición)
receive(p3,mess)
receive(petición)
Proceso 3
Proceso 3
send(p2,mess)
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PASO DE MENSAJES
Tipos de comunicación (IV)
• Síncrona/asíncrona
- garantizar la “llegada” del mensaje
• al canal del sistema
• al proceso
• al buzón
- mensajes de “reply”
- si el canal es de tamaño N, hay sincronización con la entrada en el canal
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