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Sistemas operativos: una visión aplicada Capítulo 6 Interbloqueos.

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1 Sistemas operativos: una visión aplicada Capítulo 6 Interbloqueos

2 Sistemas operativos: una visión aplicada 1 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Contenido Introducción Tipos de recursos Modelo del sistema Definición y caracterización del interbloqueo Tratamiento del interbloqueo Detección y recuperación del interbloqueo Prevención del interbloqueo Predicción del interbloqueo Tratamiento del interbloqueo en los sistemas operativos

3 Sistemas operativos: una visión aplicada 2 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Introducción Procesos compiten por recursos y se comunican entre sí S.O. proporciona mecanismos de comunicación y sicronización No basta: Conflicto entre necesidades de procesos puede causar bloqueo indefinido –Interbloqueo (deadlock) Problema conocido y estudiado pero poca repercusión práctica Aparece en otras disciplinas informáticas (p.e. Bases de datos) Múltiples ejemplos de la vida cotidiana –Carretera de 2 sentidos con puente donde sólo cabe 1 coche –2 personas llamándose por teléfono mutuamente

4 Sistemas operativos: una visión aplicada 3 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Caracterización Interbloqueo se caracteriza por la existencia de: –Cjto. de entidades activas que usan un cjto. de recursos Entidades activas –Procesos y threads Recursos –Físicos: UCPs, memoria, dispositivos. etc. –Lógicos: archivos, semáforos, mutex, cerrojos, mensajes, señales, etc.

5 Sistemas operativos: una visión aplicada 4 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Tipos de recursos Reutilizables o consumibles –¿Sigue existiendo después de usarse? Uso dedicado o compartido –¿Pueden usarlo varios procesos simultáneamente? Con uno o múltiples ejemplares –¿Existen múltiples ejemplares del mismo recurso? Expropiables o no expropiables –¿Es factible expropiar el recurso cuando se está usando?

6 Sistemas operativos: una visión aplicada 5 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Recursos reutilizables Todos los recursos físicos Algunos lógicos (archivos, cerrojos, mutex,...) Primer ejemplo de interbloqueo Proceso P 1 Proceso P 2 Solicita(C)Solicita(I) Solicita(I)Solicita(C)Uso de rec. Libera(I)Libera(C) Libera(C)Libera(I) Ejecución sin interbloqueo P 1 : solicita(C) P 1 : solicita(I) P 2 : solicita(I) bloqueo P 1 : libera(I) P 2 : solicita(C) bloqueo P 1 : libera(C) P 2 : libera(C) P 2 : libera(I) Ejecución con interbloqueo P 1 : solicita(C) P 2 : solicita(I) P 2 : solicita(C) bloqueo P 1 : solicita(I) interbloqueo

7 Sistemas operativos: una visión aplicada 6 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Recursos consumibles Proceso genera recurso y otro lo consume Recursos asociados a comunicación y sincronización –mensajes, señales, semáforos,... Ejemplo: Interbloqueo inevitable (estructural) Proceso P 1 Proceso P 2 Proceso P 3 Enviar(P 3 )Recibir(P 1 )Recibir(P 2 ) Recibir(P 3 )Enviar(P 3 )Enviar(P 1 ) Enviar(P 2 )Recibir(P 1 )

8 Sistemas operativos: una visión aplicada 7 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Recursos reutilizables y consumibles En general, procesos usan ambos tipos de recursos –No hay solución general eficiente Exposición se centra en recursos reutilizables Ejemplo mixto: Proceso P 1 Proceso P 2Solicita(C) Enviar(P 2 )Recibir(P 1 )Libera(C) Si P 2 obtiene C interbloqueo

9 Sistemas operativos: una visión aplicada 8 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Uso dedicado o compartido Recursos compartidos no afectan a interbloqueos Puede haber recursos con ambos tipos de uso –En solicitud debe indicarse el modo de uso deseado Si compartido: concedido si no se está usando en m. exclusivo Si exclusivo: concedido si no se está usando –Por ejemplo, cerrojos sobre archivos –No tratados en la exposición

10 Sistemas operativos: una visión aplicada 9 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Con uno o múltiples ejemplares Modelo general: N unidades de cada recurso –Solicitud de varias unidades de un recurso –Ejemplos: sistema con varias impresoras, la memoria,... Ejemplo: Memoria disponible: 450KB Proceso P 1 Proceso P 2 Solicita(100K)Solicita(200K)Solicita(100K) Solicita(100K) Si P 1 satisface 2 primeras y P 2 satisface 1ª interbloqueo

11 Sistemas operativos: una visión aplicada 10 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Expropiables o no expropiables Algunas soluciones basadas en expropiación: –Salvar estado de recurso y asignarlo a otro proceso –No siempre posible eficientemente: p.ej. plotter Ejemplos de recursos expropiables: –Procesador: Cambio de proceso = Expropiación Estado de procesador copiado a BCP –Memoria virtual: Reemplazo = Expropiación Contenido de página copiado a swap –Ejemplo de interbloqueo potencial: P1 listo (espera UCP) y tiene asignada cinta P2 en ejecución (tiene UCP) solicita cinta ¿Cómo lo resuelve el S.O.?

12 Sistemas operativos: una visión aplicada 11 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Modelo del sistema Conjunto de procesos o threads Conjunto de recursos de uso exclusivo (N unidades/recurso) Relaciones entre procesos y recursos: –Asignación: nº unidades asignadas a cada proceso –Pendientes: nº unid. pedidas pero no asignadas por proceso Primitivas genéricas: –Solicitud (R 1 [U 1 ],...,R n [U n ]) U 1 unidades del recurso 1, U 2 del recurso 2, etc. Si todos disponibles, se concederá Si no, se bloquea proceso sin reservar ningún recurso –Liberación (R 1 [U 1 ],...,R n [U n ]) Puede causar desbloqueo de otros procesos Carácter dinámico del sistema: –procesos y recursos aparecen y desaparecen

13 Sistemas operativos: una visión aplicada 12 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Representación mediante grafo de asignación Nodos { N }: Procesos { P } + Recursos { R } –Asociado a cada R i valor que indica nº de unidades existentes Aristas { A }: –Asignación ( R i P j ): P j tiene asignada 1 unidad de R i Unidades asignadas de R i Unidades existentes –Solicitud ( P i R j ): P i tiene pedida y no concedida 1 unid. de R j Solicitud de recursos de P i : ¿Todos disponibles? –Sí: Por cada R j tantas aristas R j P i como unidades solicitadas –No: Por cada R j tantas P i R j como unidades solicitadas Cuando disponibles se cambian a R j P i Liberación de recursos de P i : –Eliminar aristas R j P i correspondientes

14 Sistemas operativos: una visión aplicada 13 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo 1 de representación con grafo Ejecución de 3 procesos con 3 recursos R 1 (2), R 2 (3) y R 3 (2) 1.P 1 : solicita(R 1 [2]) solicita 2 unidades 2.P 2 : solicita(R 2 [1]) 3.P 2 : solicita(R 1 [1]) se bloquea 4.P 3 : solicita(R 2 [1]) 5.P 3 : solicita(R 2 [1]) 6.P 1 : solicita(R 2 [1], R 3 [2]) se bloquea Grafo resultante: N={P 1,P 2,P 3,R 1 (2),R 2 (3),R 3 (2)} A={R 1 P 1,R 1 P 1,R 2 P 2,P 2 R 1,R 2 P 3, R 2 P 3,P 1 R 2,P 1 R 3,P 1 R 3 }

15 Sistemas operativos: una visión aplicada 14 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Representación gráfica del ejemplo

16 Sistemas operativos: una visión aplicada 15 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo 2 de representación con grafo (1unid/rec) 1.P 1 : solicita(R 1 ) 2.P 2 : solicita(R 2 ) 3.P 2 : solicita(R 1 ) bl. 4.P 3 : solicita(R 2 ) bl. 5.P 4 : solicita(R 3 ) 6.P 1 : solicita(R 2 ) N={P 1,P 2,P 3,P 4,R 1 (1),R 2 (1),R 3 (1)} A={R 1 P 1,R 2 P 2,P 2 R 1,P 3 R 2,R 3 P 4,P 1 R 2 }

17 Sistemas operativos: una visión aplicada 16 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Representación matricial Rec. existentes E (dim p ): E i cuántas unid de R i hay en el sistema Asignación A (dim pxr ): A[i,j] unid de R j asignadas a P i Solicitud S (dim pxr ): S[i,j] unid de R j pedidas y no concedidas a P i Rec. disponibles D (dim p ): D i cuántas unid de R i hay disponibles –Deducible de E y A, su uso facilita descripción de algoritmos Solicitud de recursos de P i : ¿Todos disponibles? –Sí: Por cada R j, A[i,j]= A[i,j]+ U j (unidades solicitadas de R j ) –No: Por cada R j, S[i,j]= S[i,j]+ U j Cuando disponibles se resta U j de S[i,j] y se suma a A[i,j] Liberación de recursos de P i : –Por cada R j, A[i,j]= A[i,j]- U j (unidades solicitadas de R j )

18 Sistemas operativos: una visión aplicada 17 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo 1 de representación matricial Ejecución de 3 procesos con 3 recursos R 1 (2), R 2 (3) y R 3 (2) 1.P 1 : solicita(R 1 [2]) solicita 2 unidades 2.P 2 : solicita(R 2 [1]) 3.P 2 : solicita(R 1 [1]) se bloquea 4.P 3 : solicita(R 2 [1]) 5.P 3 : solicita(R 2 [1]) 6.P 1 : solicita(R 2 [1], R 3 [2]) se bloquea Matriz resultante: A= S= E=[2 3 2] D=[0 0 2]

19 Sistemas operativos: una visión aplicada 18 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo 2 de representación matricial (1unid/rec) Ejecución de 3 procesos con 3 recursos R 1 (2), R 2 (3) y R 3 (2) 1.P 1 : solicita(R 1 ) 2.P 2 : solicita(R 2 ) 3.P 2 : solicita(R 1 ) se bloquea 4.P 3 : solicita(R 2 ) se bloquea 5.P 4 : solicita(R 3 ) 6.P 1 : solicita(R 2 ) Matriz resultante: A= S= E=[1 1 1] D=[0 0 0]

20 Sistemas operativos: una visión aplicada 19 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Definición de interbloqueo Cjto. de procesos tal que cada uno está esperando un recurso que sólo puede liberar (generar, si consumibles) otro proceso del cjto –No es requisito bloqueo: puede haber espera activa Condiciones para interbloqueo (Coffman): –Exclusión mutua. Recursos de uso exclusivo. –Retención y espera. Mientras proc. espera por recursos pedidos, mantiene los ya asignados. –Sin expropiación. No se expropian recursos asignados. –Espera circular. Existe lista circular de procesos tal que cada proceso espera por recurso que tiene siguiente proceso. Son necesarias pero no suficientes: –Ejemp. 1 y 2 las cumplen pero sólo en el 2º hay interbloqueo

21 Sistemas operativos: una visión aplicada 20 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Condición necesaria y suficiente Idea base: Visión optimista del estado actual –Proceso no bloqueado debería devolver recursos en el futuro –Recursos liberados desbloquearían otros procesos –Esos procesos liberarían recursos desbloqueando a otros, etc. Reducción del sistema por proceso P –Si se pueden satisfacer necesidades de P con rec. disponibles –Nuevo estado hipotético donde P ha liberado todos sus rec. Condición necesaria y suficiente: – secuencia de reducciones desde estado actual que incluya a todos los procesos –Si no: procesos no incluidos están en interbloqueo Sistemas con restricciones son más sencillos: –Si 1 unid/rec Cond. de Coffman necesarias y suficientes

22 Sistemas operativos: una visión aplicada 21 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Tratamiento del interbloqueo Detección y recuperación. Dejar que se produzca, detectarlo y recuperarse del mismo. –Coste de algoritmo + pérdida del trabajo realizado Prevención. Asegura que no ocurre fijando reglas para pedir rec. –Infrautilización de rec.: se deben pedir antes de necesitarlos Predicción. Asegura que no ocurre basándose en conocimiento de necesidades futuras de los procesos –Dificultad de conocer futuro –Coste de algoritmo + Infrautilización de recursos Ignorar el problema: Utilizada por la mayoría de los SS.OO. –Dada la baja probabilidad de que ocurra y el coste que conlleva evitarlo (infrautilización y/o coste de algoritmos).

23 Sistemas operativos: una visión aplicada 22 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Detección del interbloqueo Aplicación del concepto de reducción –Esta presentación se limita a alg. para rep. matricial Para sistemas con restricciones, algoritmos más sencillos: –Si 1 unid/rec Cond. de Coffman necesarias y suficientes Espera circular ciclo en grafo Sólo necesario comprobar que no ciclo en grafo O(pr)) Ejemplo 2 tiene interbloqueo

24 Sistemas operativos: una visión aplicada 23 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Algoritmo de detección Reducción por P i : –Si S[i] D (recs. disponibles satisfacen necesidades) D= D+A[i]( devolver los recursos asignados) Algoritmo de complejidad O(p 2 r): S= ; Repetir { Buscar P i no incluido en S tal que S[i] D; Si Encontrado { Reducir por P i : D = D + A[i] Añadir P i a S; } } Mientras (Encontrado) Si (S==P) No hay interbloqueo Si no: Procesos en P-S están en interbloqueo

25 Sistemas operativos: una visión aplicada 24 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo de aplicación del algoritmo (1/3) Matriz inicial: A= S= E=[2 3 2] D=[0 0 2] Primera iteración: –Estado inicial: S= –Red. por P 3 ( S[3] D) D=D+A[3]=[022] –S={P 3 }

26 Sistemas operativos: una visión aplicada 25 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo de aplicación del algoritmo (2/3) Segunda iteración ( D=[022] ): –Red. por P 1 : S[1] D([012] [022]) D=D+A[1]=[022]+[200]=[222] –S={P 3, P 1 }

27 Sistemas operativos: una visión aplicada 26 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo de aplicación del algoritmo (3/3) Tercera iteración ( D=[222] ): –Red. por P 2 : S[2] D([100] [222]) D=D+A[2]=[222]+[010]=[232] –S={P 3, P 1, P 2 }

28 Sistemas operativos: una visión aplicada 27 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Activación del algoritmo de detección ¿Con qué frecuencia se ejecuta? –Algoritmo tiene coste pero, cuanto antes de detecte, mejor Supervisión continua: –Por cada petición que no puede satisfacerse –Puede tener coste demasiado alto Supervisión periódica: –Guiada por tiempo y/o por detección de síntomas P.ej. Uso de UCP < umbral con alto grado de multiprogram.

29 Sistemas operativos: una visión aplicada 28 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Recuperación del interbloqueo Una vez detectado, hay que eliminarlo –Seleccionar sucesivamente procesos implicados y quitarles sus recursos hasta eliminar interbloqueo Alternativas: –Retroceder en el tiempo ejecución de proceso Requiere S.O. con mecanismo de puntos de recuperación –Abortar proceso perdiendo todo su trabajo realizado Criterio de selección de procesos basado en: –prioridad, nº de recursos asignados al proc., t. de ejecución,...

30 Sistemas operativos: una visión aplicada 29 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Prevención del interbloqueo Estrategias basadas en que no se cumpla una cond. necesaria Exclusión mutua y sin expropiación no se pueden relajar –Dependen de carácter intrínseco del recurso Las otras dos condiciones son más prometedoras

31 Sistemas operativos: una visión aplicada 30 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Prevención basada en evitar retención y espera Sólo pueden solicitarse recursos si no se tiene ninguno asignado –Infrautilización t 1 : solicita(A,B,C) (t 1,t 2 ): sólo utiliza A (t 2,t 3 ): utiliza A y B t 3 : Libera(A) (t 3,t 4 ): sólo utiliza B (t 4,t 5 ): utiliza B y C t 5 : Libera(B) (t 5,t 6 ): sólo utiliza C t 6 : Libera(C) t 7 : solicita(D) (t 7,t 8 ): sólo utiliza D t 8 : Libera(D)

32 Sistemas operativos: una visión aplicada 31 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Prevención basada en evitar espera circular Método de las peticiones ordenadas: –Se establece un orden total de los recursos del sistema –Restricción: Proceso sólo puede pedir recursos en orden –Conlleva infrautilización En ejemplo anterior: –Si AB>C>D Proceso pide todo en t 1 Se deben ordenar recursos según orden más frecuente de uso

33 Sistemas operativos: una visión aplicada 32 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Predicción del interbloqueo Existencia de punto de no retorno Si P 1 y P 2 obtienen su primer recurso habrá interbloqueo Se evita conociendo a priori plan de peticiones de cada proceso No concede 1 de esas peticiones aunque recursos disponibles El sistema debe estar siempre en un estado seguro Proceso P 1 Proceso P 2 Solicita(C)Solicita(I) Solicita(I)Solicita(C)Uso de rec. Libera(I)Libera(C) Libera(C)Libera(I)

34 Sistemas operativos: una visión aplicada 33 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Concepto de estado seguro Aunque todos los procesos solicitasen en este momento sus necesidades máximas, existe un orden secuencial de ejecución tal que cada proceso pueda obtenerlas Similar al análisis futuro de algoritmo de detección –Pero usando necesidades máx en vez de peticiones actuales E. seguro: No interbl. usando como solicitudes necesidades máx. Conocimiento a priori no da información sobre uso real Proceso P 1 Proceso P 2 Solicita(C)Solicita(I) Libera(C)Solicita(C) Solicita(I)Libera(C)Libera(I) Estado inseguro condición necesaria pero no suficiente Ejemplo: no hay interbloqueo y sí estado inseguro

35 Sistemas operativos: una visión aplicada 34 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Algoritmo de predicción Esta presentación se limita a alg. para rep. matricial –Algoritmo del banquero de Dijkstra (1965) Requiere nueva estr. de datos: Matriz de necesidad N (dim pxr ): –N[i,j] cuántas unid adicionales de R j puede necesitar P i –Es la diferencia entre necesidades máx. y unidades asignadas –Refleja tanto solicitudes no concedidas como futuras Matriz S queda recogida en N y no la usa el algoritmo –Inicialmente contiene necesidades máx. de cada proceso Solicitud de recursos de Pi : ¿Todos disponibles? –Sí: Por cada Rj, A[i,j]= A[i,j]+ Uj y N[i,j]= N[i,j]- Uj –No: Sólo se actualiza S (que no se usa en algoritmo) Cuando disponibles, A[i,j]= A[i,j]+ Uj y N[i,j]= N[i,j]- Uj Liberación de recursos de Pi: –Por cada Rj, A[i,j]= A[i,j]- Uj y N[i,j]= N[i,j]+ Uj

36 Sistemas operativos: una visión aplicada 35 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Algoritmo del banquero Determina si estado es seguro O(p 2 r) S= ; Repetir { Buscar P i no incluido en S tal que N[i] D; Si Encontrado { Reducir por P i : D = D + A[i] Añadir P i a S; } } Mientras (Encontrado) Si (S==P) El estado es seguro Si no: El estado no es seguro

37 Sistemas operativos: una visión aplicada 36 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Estrategia de predicción Cuando proceso realiza petición de rec. que están disponibles: –Se calcula nuevo estado provisional transformando A y N –Se aplica algoritmo del banquero sobre nuevo estado –Si es seguro, se asignan recursos y nuevo estado se hace permanente –Si no, se bloquea al proceso sin asignarle los recursos y se restaura el estado previo

38 Sistemas operativos: una visión aplicada 37 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo de algoritmo del banquero (1/3) Estado actual del sistema (es seguro): A= N= D=[2 1 2] Secuencia de peticiones: –P 3 solicita 1 unidad de R 3 –P 2 solicita 1 unidad de R 1

39 Sistemas operativos: una visión aplicada 38 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo de algoritmo del banquero (2/3) P 3 solicita 1 unidad de R 3 : Nuevo estado provisional A= N= D=[2 1 1] ¿Estado seguro? 1. S= 2. P 3 : ya que N[3] D D=D+A[3]=[312] S={P 3 } 3. P 1 : ya que N[1] D D=D+A[1]=[422] S={P 3,P 1 } 4. P 2 : ya que N[2] D D=D+A[2]=[434] S={P 3,P 1, P 2 } Se acepta petición: estado provisional estado del sistema

40 Sistemas operativos: una visión aplicada 39 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Ejemplo de algoritmo del banquero (3/3) P 2 solicita 1 unidad de R 1 : Nuevo estado provisional A= N= D=[1 1 1] ¿Estado seguro? 1. S= 2. P 3 : ya que N[3] D D=D+A[3]=[212] S={P 3 } 3. No hay Pi tal que N[i] D Estado inseguro No se acepta petición: Se bloquea al proceso y se restaura estado del sistema

41 Sistemas operativos: una visión aplicada 40 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Limitaciones de estrategias de predicción Conocimiento a priori de necesidades máximas –Difícil de obtener –Basado en peor caso posible Necesidades máximas no expresan uso real de recursos Infrautilización de recursos –Niegan uso de recurso aunque esté libre

42 Sistemas operativos: una visión aplicada 41 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Tratamiento del interbloqueo en los SS.OO. Mayoría lo ignora o no da una solución general Distinción entre dos tipos de recursos: –Recursos internos (propios del S.O.) Usados por un proceso en modo sistema Uso restringido a ejecución de una llamada Ej. semáforo interno para acceder a t. de procesos o buffer Interbloqueo puede causar colapso del sistema –Recursos de usuario Usados por un proceso en modo usuario Uso durante tiempo impredecible Ej. dispositivo dedicado o semáforo de aplicación Interbloqueo afecta a procesos y recursos involucrados

43 Sistemas operativos: una visión aplicada 42 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez Tratamiento del interbloqueo en los SS.OO. Tratamiento de recursos internos –Código del S.O. es algo que apenas se modifica Se puede estudiar a priori uso de recursos –Interbloqueo error de programación de S.O. –Uso de estrategias de prevención es adecuado Dado que tiempo de uso es breve y acotado Tratamiento de recursos de usuario –Código de procesos que usan recursos es impredecible –No hay tratamiento general para todos los recursos –Prevención Infrautilización –Predicción Dificultad de conocer información a priori –Detección y recuperación Demasiada sobrecarga Puede usarse para un único recurso P.ej. En 4.4BSD se usa para cerrojos sobre archivos


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