TEMA 2. Comunicación y sincronización con memoria compartida Ingeniería en Informática

TEMA 2. Comunicación y
sincronización con
memoria compartida
Ingeniería en Informática
Contenidos
„
El problema de la sección crítica
„
Semáforos
„
Regiones críticas
„
Monitores
© José Miguel Santos Espino – Alexis Quesada Arencibia
ProgramaciónConcurrente
2
Bibliografía
„
Programación Concurrente
„
„
Principles of Concurrent and Distributed
Programming
„
„
„
J. Palma, C. Garrido, F. Sánchez, A. Quesada,
2003
M. Ben-Ari. Prentice Hall, 1990
Capítulo 3
Sistemas Operativos
„
„
A. Silberschatz, P. Galvin. Addison-Wesley, 1999
Capítulo 6
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ProgramaciónConcurrente
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Contenidos
„
El problema de la sección crítica
„
Semáforos
„
Regiones críticas
„
Monitores
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ProgramaciónConcurrente
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Modelo del sistema
„
„
Conjunto de procesos cooperativos
que se ejecutan de manera asíncrona y
que comparten datos
Proceso cooperativo: proceso que
puede afectar o verse afectado por los
demás procesos que se ejecutan en el
sistema
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Ejemplo: buffer limitado
Productor
N: constant integer:=...;
type elemento is ...;
buffer: array(0..N-1) of elemento;
entra,sale: mod N:=0;
contador: integer range 0..N:=0;
loop
...
producir un elemento elem
...
loop
exit when contador<N;
end loop;
buffer(entra):=elem;
entra:=entra+1;
contador:=contador+1;
end loop;
Consumidor
loop
loop
exit when contador>0;
end loop;
elem:=buffer(sale);
sale:=sale+1;
contador:=contador-1;
...
consumir elemento elem
...
end loop;
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Problema
„
„
Ambas rutinas son correctas si se ejecutan por separado pero podrían
NO funcionar si se ejecutan de manera concurrente
Supongamos que contador contiene en un momento dado el valor 5 y
que las instrucciones “contador=contador+1” y “contador=contador-1”
se ejecutan de forma concurrente (¡contador podría ser 4, 5 o 6!)
contador = contador + 1
registro1 := contador;
registro1 := registro1 +1;
contador : registro1;
T0: productor
T1: productor
T2: consumidor
T3: consumidor
T4: productor
T5: consumidor
contador=contador-1
registro2 := contador;
registro2 := registro2 -1;
contador := registro2;
registro1 := contador
registro1 := registro1+1
registro2 := contador
registro2 := registro2 -1
contador := registro1
contador := registro2
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(registro1= 5)
(registro1 = 6)
(registro2 = 5)
(registro2 = 4)
(contador = 6)
(contador = 4)
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Modelo del sistema
„
N procesos intentan acceder a un recurso compartido
en un bucle infinito:
loop
Sección_No_Crítica;
Pre_Protocolo;
Sección_Crítica;
Post_Protocolo;
end loop;
„
„
Nunca puede haber más de un proceso en la sección
crítica (exclusión mutua)
Los pre y post protocolos serán algoritmos para
garantizar que se cumple la exclusión mutua
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Requisitos de la solución,
según Ben-Ari
„
„
„
„
„
Siempre se debe cumplir la exclusión mutua.
Un proceso puede detenerse en su sección no
crítica, sin que afecte a los demás procesos.
No pueden aparecer interbloqueos.
No puede haber inanición: si un proceso
declara entrar en s.c., terminará entrando.
Progreso si no hay contención: si un solo
proceso quiere entrar en s.c., debe poder
entrar sin más.
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Requisitos de la solución,
según Peterson
„
„
„
Exclusión mutua
Progreso: si ningún proceso está en sección
crítica y hay procesos que desean entrar en
su s.c., sólo estos últimos participarán en la
decisión y ésta se tomará en un tiempo finito.
Espera limitada: hay un límite para el
número de veces que otros procesos pueden
adelantarse a un proceso que quiere entrar
en s.c.
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Primer intento: variable turno
turno: integer range 1..2 := 1;
loop
SNC1;
loop
exit when turno=1;
end loop;
SC1;
turno:=2;
end loop;
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loop
SNC2;
loop
exit when turno=2;
end loop;
SC1;
turno:=1;
end loop;
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Discusión del primer intento
„
¿Garantiza exclusión mutua?
„
¿Está libre de interbloqueo?
„
¿Está libre de inanición?
„
¿Garantiza el progreso si no hay
contención?
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Segundo intento: avisadores
flag1,flag2: boolean := true;
loop
SNC1;
loop
exit when flag2;
end loop;
flag1:=false;
SC1;
flag1:=true;
end loop;
loop
SNC2;
loop
exit when flag1;
end loop;
flag2:=false;
SC2;
flag2:=true;
end loop;
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Tercer intento
flag1,flag2: boolean := true;
loop
SNC1;
flag1:=false;
loop
exit when flag2;
end loop;
SC1;
flag1:=true;
end loop;
loop
SNC2;
flag2:=false;
loop
exit when flag1;
end loop;
SC2;
flag2:=true;
end loop;
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Solución de Peterson
flag1,flag2: boolean := true;
turno: integer range 1..2 := 1;
loop
SNC1;
flag1:=false;
turno:= 2;
loop
exit when flag2 or
turno=1;
end loop;
SC1;
flag1:=true;
end loop;
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loop
SNC2;
flag2:=false;
turno:= 1;
loop
exit when flag1 or
turno=2;
end loop;
SC2;
flag2:=true;
end loop;
ProgramaciónConcurrente
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Soluciones hardware
„
Entorno uniprocesador: prohibir las
interrupciones mientras se modifican
variables compartidas
„
„
Problema: Entorno multiprocesador
Instrucciones atómicas test-and-set o
SWAP.
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Soluciones hardware
„
Permiten evaluar y asignar un valor a una
variable de forma atómica.
„
„
„
test-and-set(B): Pone B a true y devuelve el
antiguo valor de B.
SWAP(A,B): Intercambia los valores de A y B.
Si disponemos de estas instrucciones, se
simplifica muchísimo el problema de la
sección crítica.
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Soluciones al problema de la SC
con instrucciones HD atómicas
loop
SNC1;
loop
exit when
Test_and_Set(llave)=false;
end loop;
SC1;
llave:=false;
end loop;
loop
SNC1;
llave:=true;
loop
Swap(cerradura,llave);
exit when llave=false;
end loop;
SC1;
cerradura:=false;
end loop;
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