Sincronización de procesos Sebastián Sánchez Prieto

Tipos de procesos Independientes Cooperantes Su estado no es compartido Su estado es compartido Son deterministas Su funcionamiento no es determinista Son reproducibles Su funcionamiento puede ser irreproducible Pueden ser detenidos y rearrancados sin ningún efecto negativo Si son detenidos y posteriormente rearrancados puede que se produzcan efectos negativos Ejemplo: un programa que calcula 1000 cifras decimales de pi Ejemplo: un proceso que escribe en el terminal la cadena “abc” y otro la cadena “cba”  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Productor-consumidor Un proceso produce datos que son posteriormente procesados por otro proceso i.e.: el manejador de teclado y el programa que recoge los caracteres de un buffer Lo más cómodo es emplear un buffer circular Escribe Lee Productor Consumidor  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Código del productor El productor no puede escribir en el buffer si está lleno Comparte con el consumidor: el buffer y el contador do { ... produce un nuevo elemento (elemento_p) while (contador == MAX_ELEMENTOS) haz_nada; buffer[indice_p] = elemento_p; indice_p = (indice_p + 1) % MAX_ELEMENTOS; contador = contador + 1; } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Código del consumidor El productor no puede leer del buffer si está vacío Comparte con el consumidor: el buffer y el contador do { while (contador == 0) haz_nada; elemento_c = buffer[indice_c]; indice_c = (indice_c + 1) % MAX_ELEMENTOS; contador = contador - 1; ... consume el elemento (elemento_c) } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Condiciones de carrera El código anterior no funciona por existir condiciones de carrera al actualizar el contador Veamos qué ocurre al ejecutar la sentencia: contador = contador + 1; En lenguaje ensamblador: Productor Consumidor load r0, contador load r0, contador add r0, 1 sub r0, 1 store contador, r0 store contador, r0 Problema: la modificación del contador no es atómica Dependiendo de la ejecución relativa de las instrucciones se puede llegar a diferentes resultados  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Atomicidad Una operación se dice que es atómica (en un sistema uniprocesador) cuando se ejecuta con las interrupciones deshabilitadas Las referencias y las asignaciones son atómicas en la mayoría de los sistemas Esto no es siempre cierto para matrices, estructuras o números en coma flotante Típicamente la arquitectura proporciona operaciones específicas para lograr la atomicidad Si el hardware no proporciona operaciones atómicas, éstas no pueden construirse por software  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Sincronización Persona A Persona B 3:00 Mira en la nevera. No hay leche 3:05 Va a la tienda 3:10 Llega a la tienda Mira en la nevera. No hay leche 3:15 Deja la tienda Va a la tienda 3:20 Llega a casa y guarda la leche Llega a la tienda 3:25 Deja la tienda 3:30 Llega a casa y ...  1999-2003 S2P, OGP & IGT

¿Cuál es el problema planteado? Alguien necesita leche, pero no tanta Definiciones: Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que sólo una persona o proceso está haciendo algo en un instante determinado (los otros están excluidos) Sección crítica: es la sección de código, o colección de operaciones, en el que se actualizan variables comunes Cuando un proceso está ejecutando código de su sección crítica, ningún otro proceso puede estar en esa misma sección crítica  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema de la sección crítica Toda solución debe cumplir tres condiciones Exclusión mutua Progreso Espera limitada Solución general: do { protocolo de entrada sección crítica protocolo de salida resto de la sección } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Tipos de soluciones Suposiciones: Todos los procesos se ejecutan a una velocidad distinta de cero Su velocidad relativa no influye Soluciones basadas en variables de control Soluciones basadas en instrucciones máquina específicas (test_and_set o swap) Soluciones basadas en primitivas del sistema operativo Soluciones proporcionadas por el lenguaje, regiones críticas y monitores  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Solución con variables de control Válidas para varios procesadores Suposición: las instrucciones de carga y almacenamiento son atómicas Primer intento Ti y Tj comparten la variable turno Thread Ti do { while (turno != i) haz_nada; sección crítica turno = j; resto de la sección } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Segundo intento Variables compartidas: flag[i] = FALSE; flag[j] = FALSE; Estas variables indican la intención de los hilos de entrar en sección crítica Thread Ti do { flag[i] = TRUE; while (flag[j]) haz_nada; sección crítica resto de la sección } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Tercer intento (Dekker) Variables compartidas: int turno, flag[2]; flag[i] = flag[j] = FALSE; Thread Ti do { flag[i] = TRUE; turno = j; while (flag[j] && (turno == j)) haz_nada; sección crítica flag[i] = FALSE; resto de la sección } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Sincronización hardware (tas) int test_and_set (int *destino) { int aux; aux = *destino; *destino = TRUE; return (aux); } Variable compartida cerrojo iniciada a FALSE do { while (test_and_set (&cerrojo)) haz_nada; sección crítica cerrojo = FALSE; resto de la sección } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Sincronización hardware (swap) void swap (int *a, int *b) { int aux; aux = *a; *a = *b; *b = aux; } Variable compartida cerrojo iniciada a FALSE do { llave = TRUE; swap (cerrojo, llave); } while (llave != FALSE); sección crítica cerrojo = FALSE; resto de la sección } while (TRUE);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Semáforos Introducidos por Dijkstra en los años 60 Es un tipo especial de variable que sólo puede ser accedida por dos primitivas P y V P (semáforo) Operación atómica que espera hasta que el semáforo sea positivo, en este momento lo decrementa en 1 V (semáforo) Operación atómica que incrementa el semáforo en 1 ¿Cómo quedaría el problema de la sección crítica con semáforos? P (exmut) Sección crítica V (exmut)  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Características de los semáforos Son independientes de la máquina Son simples Pueden trabajar con varios procesos Pueden permitir que varios procesos entren en la sección crítica al mismo tiempo en caso de necesitarse esta posibilidad Doble uso de los semáforos: Exclusión mutua Sincronización  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Productor-consumidor Restricciones: El consumidor espera a que haya datos en el buffer El productor espera a que haya buffers vacíos Sólo un único proceso puede manipular el buffer a la vez Semáforos: smf_llenos, smf_vacíos y exmut Valores iniciales: smf_llenos = 0 smf_vacíos = número_de_buffers exmut = 1  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Productor Consumidor P (smf_vacíos); P (exmut); Produce un dato; V (exmut); V (smf_llenos); P (smf_llenos); P (exmut); Consume el dato; V (exmut); V (smf_vacíos); ¿Por qué el productor hace P(smf_vacíos) y V(smf_llenos)? ¿Es importante el orden en que se ejecutan las primitivas P y V? ¿Cómo podemos extender el problema si hay dos consumidores?  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Lectores-escritores Descripción: Valores iniciales: Además: Los escritores acceden a la BBDD cuando no haya ningún otro escritor y ningún lector. Semáforo escribir Los lectores acceden cuando no haya ningún escritor accediendo o esperando. Semáforo leer Variables compartidas: LA, LE, EA, EE A estas variables accederemos en exclusión mutua protegidas con un semáforo exmut Valores iniciales: leer = escribir = 0 exmut = 1 LA = EA = LE = EE = 0 Además: Los escritores tienen prioridad sobre los lectores  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Lector Escritor P (exmut); if ((EA + EE) == 0) { V (leer); LA = LA + 1; } else { LE = LE + 1; } V (exmut); P (leer); Leemos los datos; LA = LA - 1; if (LA == 0 && EE > 0) V (escribir); EA = EA + 1; EE = EE - 1; P (exmut); if (( EA + LA + EE) == 0) { V (escribir); EA = EA + 1; } else { EE = EE + 1; } V (exmut); P (escribir); Escribimos los datos; EA = EA - 1; if (EE > 0) EE = EE - 1; } else while (LE > 0) { V (leer); LA = LA + 1; LE = LE - 1;  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Casos particulares Un lector entra y deja el sistema Un escritor entra y deja el sistema Entran dos lectores al sistema Un escritor entra y debe esperar Un lector entra y debe esperar Los lectores abandonan el sistema y el escritor continúa Los escritores abandonan el sistema, y el último lector continúa y abandona  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema del puente estrecho Por un puente sólo pueden pasar o coches que suben o coches que bajan. Solución: Variables compartidas: int contadorsubida = 0; int contadorbajada = 0; Semáforos: semaforo exmut_s, exmut_b, puente; Valores iniciales: Los semáforos inicialmente deben valer 1 No se tratan los problemas de inanición  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Código subida Código bajada P(exmut_s); contadorsubida++; if (contadorsubida == 1) P(puente); V(exmut_s); ... Se sube el puente ... contadorsubida--; if (contadorsubida == 0) V(puente); P(exmut_b); contadorbajada++; if (contadorbajada == 1) P(puente); V(exmut_b); ... Se baja el puente ... contadorbajada--; if (contadorbajada == 0) V(puente);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema de los filósofos  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema de los filósofos Variables compartidas: exmut semaforo[N] Código de cada filósofo: void filosofo (int i) { while (TRUE) { piensa(); toma_tenedores(i); come(); pon_tenedores(i); } } /* Fin de filosofo */  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema de los filósofos void toma_tenedores(int i) { P(exmut); estado[i] = HAMBRIENTO; comprueba(i); V(exmut); P(semaforo[i]); } /* Fin de toma_tenedores */ void pon_tenedores(int i) { estado[i] = PENSANDO; comprueba((i-1)%N); comprueba((i+1)%N); } /* Fin de pon_tenedores */  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema de los filósofos void comprueba(int i) { if (estado[i] == HAMBRIENTO && estado[(i-1)%N] != COMIENDO && estado[(i+1)%N] != COMIENDO) estado[i] = COMIENDO; V(semaforo[i]); } } /* Fin de comprueba */ ¿A qué valores se deben iniciar los semáforos? ¿Por qué la función comprueba siempre se invoca desde una sección crítica?  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Problema del barbero dormilón Problema: 1 barbero y N sillas de espera Si un cliente entra y no hay sillas, se va Semáforos: clientes: número de clientes en espera sin contar el que está en la silla del peluquero barberos: número de barberos inactivos exmut: exclusión mutua Variable compartida: esperando: número de clientes esperando Inicialmente: clientes=0 barberos=0 exmut=1 esperando=0  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Barbero Cliente do { P(clientes); P(exmut); esperando=esperando-1; V(barberos); V(exmut); /* Corta el pelo */ } while (TRUE); do { P(exmut); if (esperando < SILLAS) { esperando++; V(clientes); V(exmut); P(barberos); /* Se corta el pelo */ } else { } } while (PELOLARGO);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Codificación los semáforos Las primitivas P y V se realizan por software Razón: P y V se ven implicados en aspectos de planificación Partimos de la siguiente declaración: typedef struct { int contador; (cola q;) int t; /* Para multiprocesadores */ } SEMAFORO; En el caso de los semáforos con espera activa el código entre paréntesis sobra  1999-2003 S2P, OGP & IGT

P y V en spin locks (espera activa) P (SEMAFORO *s) { while (1) cli; if (s->contador > 0) s->contador-=1; sti; return; } } /* fin del while */ V (SEMAFORO *s) { cli; s->contador+=1; sti; }  1999-2003 S2P, OGP & IGT

P y V en sistemas uniprocesador P (SEMAFORO *s) { cli; if (s->contador > 0) { s->contador-=1; sti; return; } Añadimos proc. a s->q; Planificación; V (SEMAFORO *s) { cli; if (s->q == vacía) { s->contador+=1; } else { Sacar proceso de s->q; Despertarlo; } sti;  1999-2003 S2P, OGP & IGT

P y V en sistemas multiprocesador P (SEMAFORO *s) { while (TAS(s->t) != 0); if (s->contador > 0) s->contador- = 1; s->t = 0; return; } Añadimos proc. a s->q Planificación V (SEMAFORO *s) { while (TAS(s->t) != 0); if (s->q vacía) s->contador+ = 1; } else { Sacar proceso de s->q; Despertarlo; } s->t = 0;  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Comunicación con mensajes Válido para comunicación intermáquina Definición: Mensaje: parte de información que es pasada de un proceso a otro Buzón: lugar donde se depositan los mensajes desde el envío a la recepción Operaciones sobre mensajes: Enviar Recibir Métodos de comunicación Comunicación en un único sentido: los mensajes fluyen en un único sentido Ejemplos: Tuberías de UNIX, productor-consumidor y streams Comunicación bidireccional: los mensajes fluyen en ambos sentidos Ejemplos: Llamadas a procedimientos remotos (RPC´s) o el modelo cliente-servidor  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Ejemplos Productor: Cliente: Consumidor: Servidor: int mensaje1[1000]; while (1) { --Preparamos el mensaje1-- enviar (mensaje1, buzón); } Cliente: char resp[1000]; envia(“leer vax”, buzon1); recibir (resp, buzon2); Consumidor: int mensaje2[1000]; while (1) { recibir (mensaje2, buzón); --Procesamos el mensaje2-- } Servidor: char orden[100]; char resp[1000]; recibir (orden, buzon1); enviar (resp, buzon2);  1999-2003 S2P, OGP & IGT

¿Por qué utilizar mensajes? Muchas aplicaciones responden a este esquema Las partes que se comunican pueden ser completamente independientes. Ventajas: Es más difícil que se produzcan errores Permite que los procesos no confíen entre sí Las aplicaciones pueden ser escritas por programadores y en tiempos diferentes Los procesos pueden correr en diferentes procesadores, conectados a través de una red  1999-2003 S2P, OGP & IGT

Implementación de los mensajes Nombres Comunicación simétrica Comunicación asimétrica Copiado Paso por valor: es lento y obligatorio en sistemas sin memoria compartida Paso por referencia: es rápido pero hay problemas con su modificación Híbrido: copy_on_write (COW) Bloqueo versus no bloqueo Enviar y recibir pueden ser bloqueantes o no Formas de espera en un buzón: Varios procesos pueden esperar en un buzón Un proceso puede esperar en varios buzones Longitud Mensajes de longitud fija Mensajes de longitud variable  1999-2003 S2P, OGP & IGT