Tema 06: Programación Concurrente Sincronización con Espera Activa

1. UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN E S P G Tema 06: Programación ConcurrenteSincronización con Espera Activa MAESTRÍA EN INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA ADMINISTRACIÓN DE TECNOLOGÍAS DE INFORMACIÓN Prof: Alberto E. Cohaila Barrios acohailab@unjbg.edu.pe, acohailab@hotmail.com, acohailab@speedy.com.pe

2. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones

3. Introducción • Vamos a estudiar la programación concurrente con el Modelo Concurrencia deMemoria Compartida • El Modelo de Concurrencia de Paso de Mensajes se estudia en Redes y Sistemas Distribuidos

4. Introducción • Modelo de Memoria Compartida • Los procesos pueden acceder a una memoria común • Existen variables compartidas que varios procesos pueden leer y escribir ¿Qué ocurre si dos procesos leen o escriben de forma simultánea en la misma variable?

5. Introducción • Modelo de Memoria Compartida • La abstracción de la programación concurrente nos dice que hay que estudiar las intercalaciones de las instrucciones atómicas de cada proceso • La lectura y la escritura de variables de tipo simple (boolean, integer, char…) son instrucciones atómicas en PascalFC

6. Introducción Lectura simultáneas Ambos procesos leen el valor de la variable Escrituras simultáneas El resultado de la escritura simultánea sobre una variable compartida de tipo simple será el valor escrito por uno u otro proceso Nunca una mezcla de las dos escrituras Lectura y Escritura simultáneas Si un proceso lee sobre una variable compartida de tipo simple y simultáneamente otro escribe sobre ella, el resultado de la lectura será o bien el valor de la variable antes de la escritura o bien el valor de la variable después de la escritura Nunca un valor intermedio

7. Introducción Relaciones entre procesos Actividades entre procesos Hay diferentes tipos Sincronización Condicional Se lleva a cabo mediante Competencia Sincronización Exclusión Mutua A veces necesita Cooperación Comunicación

8. Introducción • Actividades entre procesos con el Modelo de Memoria Compartida • Comunicación • Se utilizan las variables compartidas para compartir información • Un proceso escribe un valor en la variable y otro proceso lee ese valor

9. Introducción • Actividades entre procesos con el Modelo de Memoria Compartida • Sincronización • Si sólo se usan variables compartidas para la sincronización se tiene Espera Activa • Se pueden usar también herramientas específicas de sincronización de procesos del lenguaje de programación, por ejemplo los Semáforos • Tipos de sincronización • Sincronización condicional • Exclusión mutua 9

10. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones

11. Sincronización Condicional • Se produce cuando un proceso debe esperar a que se cumpla una cierta condición para proseguir su ejecución • Esta condición sólo puede ser activada por otro proceso PA1 PA2 Proceso A PB1 PB2 Proceso B Diagrama de Precedencia

12. PA1 PA2 Proceso A PB1 PB2 Proceso B Sincronización Condicional • Si los procesos muestran por pantalla* el nombre de la acción que han realizado, el resultado de ejecutar el programa concurrente del diagrama podría ser cualquiera de los siguientes: Algunas Salidas Posibles: PA1 PA2 PB1 PB2 PA1 PB1 PA2 PB2 PB1 PA1 PA2 PB2 PB1 PA1 PB2 PA2 Salidas No Posibles: PB1 PB2 PA1 PA2 * La escritura en pantalla con write es una instrucción atómica en PascalFC

13. program sinccond; process tPA(var continuar:boolean); begin write('PA1 '); continuar := true; write('PA2 '); end; process tPB(var continuar:boolean); begin write('PB1 '); whilenot continuar do; write('PB2 '); end; var continuar: boolean; procA:tPA; procB:tPB; begin continuar := false; cobegin procA(continuar); procB(continuar); coend; end. SincronizaciónCondicional Se declara una variable continuar procA la pondrá a true cuando haya ejecutado PA1y continuará ejecutando PA2 procB ejecutará PB1y comprobará constantemente en un bucle el valor de continuar Saldrá del bucle cuando valga true y continuará ejecutando PB2 BLP (06-07)

14. Sincronización Condicional • Intercalación de instrucciones que obtiene la salida PA1 PB1 PA2 PB2

15. Sincronización Condicional • Intercalación de instrucciones que obtiene la salida PB1 PA1 PA2 PB2

16. Sincronización Condicional • Intercalación de instrucciones que obtiene la salida PA1 PA2 PB1 PB2

17. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Propiedades de Corrección • 1ª Aproximación: Alternancia Obligatoria • 2ª Aproximación: No Exclusión Mutua • 3ª Aproximación: Interbloqueo • 4ª Aproximación: Espera indefinida • Solución: Algoritmo de Dekker • Uso de la Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones 17

18. Exclusión Mutua ¿Qué es la Exclusión Mutua? Desde un punto de vista general la exclusión mutua se tiene cuando varios procesos compiten por un recurso común de acceso exclusivo Sólo uno de los procesos puede estar accediendo al recurso a la vez y los demás tienen que esperar Cuando un proceso libera el recurso de acceso exclusivo y otro proceso estaba esperando, el proceso que espera accederá al recurso De forma mas concreta, para comprender su funcionamiento se estudia El Problema de la Exclusión Mutua

19. Exclusión Mutua • El problema de la Exclusión Mutua • Se tienen dos o más procesos concurrentes, que ejecutan indefinidamente una secuencia de instrucciones dividida en dos secciones • Sección crítica • Sección no crítica processtype proceso; begin repeat seccion_critica; seccion_no_critica; forever end;

20. Exclusión Mutua • Sección Crítica • Secuencia de instrucciones que acceden a un recurso compartido de acceso exclusivo • Puesto que el recurso es de acceso exclusivo y solo un proceso puede acceder a él al mismo tiempo, cada proceso debe ejecutar las instrucciones de la sección crítica sin que haya intercalación de instrucciones de la sección crítica de otros procesos • Se pueden intercalar instrucciones que no hagan uso del recurso, es decir, instrucciones fuera de la sección crítica de otros procesos • Sección No Crítica • Secuencia de instrucciones que pueden ser ejecutadas concurrentemente por todos los procesos • Se pueden intercalar con las instrucciones de la sección crítica y de la sección no crítica de otros procesos

21. Exclusión Mutua • El preprotocolo y postprotocolo son las secuencias de instrucciones que deben ejecutar los procesos para garantizar que las instrucciones de la sección crítica se ejecutan cumpliendo los requisitos • Se asume que los procesos finalizan su ejecución fuera de la sección crítica, de forma que siempre hayan ejecutado el postprotocolo processtype proceso; begin repeat preprotocolo; seccion_critica; postprotocolo; seccion_no_critica; forever end; 21

22. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Propiedades de Corrección • 1ª Aproximación: Alternancia Obligatoria • 2ª Aproximación: No Exclusión Mutua • 3ª Aproximación: Interbloqueo • 4ª Aproximación: Espera indefinida • Solución: Algoritmo de Dekker • Uso de la Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones 22

23. Propiedades de Corrección • Pese a que pueda parecer sencillo, implementar correctamente un programa para El Problema de la Exclusión Mutua es complejo y hay que tener en cuenta que se deben cumplir ciertas propiedades de corrección • Se estudian con detenimiento porque las tendremos que cumplir siempre que desarrollemos cualquier programa concurrente, no sólo en este problema concreto • Una propiedad de un programa concurrente es una característica que se debe cumplir en cualquier posible intercalación de las instrucciones atómicas

24. Propiedades de Corrección • Exclusión Mutua • En cada instante solo puede estar un proceso ejecutando su sección crítica porque sólo un proceso puede acceder al recurso compartido a la vez • Ausencia de Retrasos Innecesarios • Si un proceso intenta entrar en su sección crítica y no hay otro proceso que también quiera entrar, entonces deberá entrar sin retrasos • Ausencia de Inanición (starvation) • Todo proceso que quiera entrar en la sección crítica en algún momento deberá conseguirlo • Se produce inanición cuando un proceso quiere entrar en la sección critica pero sistemáticamente es otro proceso el que entra en ella

25. Propiedades de Corrección • Ausencia de Interbloqueos • Si varios procesos intentan entrar simultáneamente a su sección crítica, al menos uno de ellos debe lograrlo. Un interbloqueo se produciría si ambos procesos quedaran esperando • Interbloqueo activo (livelock) • Cuando los procesos ejecutan instrucciones que no producen un avance real del programa, son inútiles • Interbloqueo pasivo (deadlock) • Cuando todos los procesos están esperando • Como todos están esperando, ninguno de ellos podrá cambiar las condiciones para que dejen de esperar

26. Propiedades de Corrección • Las propiedades se dividen en dos tipos • De seguridad (safety) • Si alguna de estas propiedades se incumple en alguna ocasión, el programa se comportará de forma errónea • Aseguran que nada malo sucederá durante la ejecución y deben cumplirse siempre • De Vida (liveness) • Si alguna de estas propiedades se incumple en “alguna” ocasión, el programa se comportara de forma correcta pero será lento y desaprovechará los recursos • Aseguran que algo bueno ocurrirá alguna vez durante la ejecución del programa 26

27. Propiedades de Corrección • Propiedades de seguridad (safety) • Exclusión Mutua • Ausencia de Interbloqueo pasivo • Propiedades de Vida (liveness) • Ausencia de Retrasos innecesarios • Ausencia de inanición (starvation) • Ausencia de interbloqueo activo (livelock)

28. Propiedades de Corrección • La Ausencia de Inanición es una propiedad que asegura que todos los procesos pueden acceder a la sección crítica • Es posible que unos procesos accedan en muchas ocasiones a la sección crítica y otros sólo accedan de vez en cuando • El acceso a la sección crítica se puede especificar con más Justicia (fairness) • Espera lineal: Si un proceso quiere entrar en la sección crítica, entrará antes de que otro proceso entre más de una vez • Espera FIFO: Si un proceso quiere entrar en la sección crítica, entrará antes de que entre otro proceso que lo solicite después que él 28

29. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Propiedades de Corrección • 1ª Aproximación: Alternancia Obligatoria • 2ª Aproximación: No Exclusión Mutua • 3ª Aproximación: Interbloqueo • 4ª Aproximación: Espera indefinida • Solución: Algoritmo de Dekker • Uso de la Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones 29

30. 1ª AproximaciónAlternancia Obligatoria • Utilizar una variable turno que indique el proceso que puede entrar en la región crítica • Cuando un proceso va a entrar en la sección crítica, en el preprotocolo se comprueba si es su turno • Al salir de la sección crítica, en el postprotocolo se indica que el turno es del otro proceso

31. 1ª AproximaciónAlternancia Obligatoria type tControl = record turno: integer; end; processtype tP1(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) while c.turno <> 1 do; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) c.turno := 2; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end; process type tP2(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) while c.turno <> 2 do; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) c.turno := 1; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end;

32. 1ª AproximaciónAlternancia Obligatoria • A continuación se muestra una posible intercalación de las instrucciones • Se supone que el turno comienza en 1 • Se puede observar cómo las instrucciones de la sección crítica del proceso p1 no se intercalan con las instrucciones de la sección crítica de p2 • Se puede observar cómo las instrucciones que no están en la sección crítica se pueden intercalar con instrucciones de la sección crítica

33. 1ª AproximaciónAlternancia Obligatoria

34. 1ª AproximaciónAlternancia Obligatoria • Requisitos que cumple • Exclusión Mutua • Ausencia de Interbloqueos • Ausencia de Inanición • Requisitos que no cumple • Ausencia de Retrasos Innecesarios (debido a que la alternancia es obligatoria y no debería serlo)

35. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Propiedades de Corrección • 1ª Aproximación: Alternancia Obligatoria • 2ª Aproximación: No Exclusión Mutua • 3ª Aproximación: Interbloqueo • 4ª Aproximación: Espera indefinida • Solución: Algoritmo de Dekker • Uso de la Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones 35

36. 2ª AproximaciónNo Exclusión Mutua • Para evitar la alternancia obligatoria, podemos usar una variable booleana por cada proceso que indique si dicho proceso está en la región crítica • Un proceso al entrar en la región crítica comprueba si ya hay otro proceso y si no hay nadie, indica que entra él • Al salir de la región crítica indica que ya no está en la región crítica

37. 2ª AproximaciónNo Exclusión Mutua type tControl = record p1sc,p2sc: boolean; end; process type tP1(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) while c.p2sc do; c.p1sc := true; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) c.p1sc := false; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end; process type tP2(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) while c.p1sc do; c.p2sc := true; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) c.p2sc := false; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end;

39. 2ª AproximaciónNo Exclusión Mutua • Aunque existan intercalaciones que cumplen con los requisitos, existen intercalaciones en las que no se tiene la exclusión mutua • Los dos procesos pueden ejecutar las instrucciones de la sección crítica de forma intercalada

40. 2ª AproximaciónNo Exclusión Mutua • Requisitos que no cumple • Exclusión Mutua

41. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Propiedades de Corrección • 1ª Aproximación: Alternancia Obligatoria • 2ª Aproximación: No Exclusión Mutua • 3ª Aproximación: Interbloqueo • 4ª Aproximación: Espera indefinida • Solución: Algoritmo de Dekker • Uso de la Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones 41

42. 3ª AproximaciónInterbloqueo • El problema de la aproximación anterior es que los dos procesos miran y después entran, pudiendo entrar los dos a la vez • En la 3ª aproximación, antes de comprobar si hay alguien dentro, vamos a hacer una petición • Si alguien lo ha pedido ya, nos esperamos

43. 3ª AproximaciónInterbloqueo type tControl = record p1p,p2p: boolean; end; process type tP1(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) c.p1p := true; while c.p2p do; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) c.p1p := false; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end; process type tP2(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) c.p2p := true; while c.p1p do; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) c.p2p := false; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end;

45. 3ª AproximaciónInterbloqueo • Requisitos que cumple • Exclusión Mutua • Requisitos que no cumple • Ausencia de interbloqueos

46. Sincronización con Espera Activa • Introducción • Sincronización Condicional • Exclusión Mutua • Propiedades de Corrección • 1ª Aproximación: Alternancia Obligatoria • 2ª Aproximación: No Exclusión Mutua • 3ª Aproximación: Interbloqueo • 4ª Aproximación: Espera indefinida • Solución: Algoritmo de Dekker • Uso de la Exclusión Mutua • Espera Activa vs. Espera Pasiva • Conclusiones 46

47. 4ª AproximaciónEspera Indefinida • La 3ª aproximación falla porque los dos procesos, una vez que anuncian su intención de entrar en su sección crítica, insisten en su derecho de entrar en ella • La 4ª aproximación cede su derecho a entrar en la sección crítica si descubre que hay competencia con otro proceso

48. 4ª AproximaciónEspera Indefinida process p1(var c: tControl); begin repeat (* Preprotocolo *) c.p1p := true; while c.p2p do begin c.p1p := false; c.p1p := true; end; (* Sección Crítica *) write('SC1 '); write('SC2 '); (* Postprotocolo *) acceso.p1p := false; (* Sección No Crítica *) write('SNC1 '); write('SNC2 '); forever end; type tControl = record p1p,p2p: boolean; end;

49. 4ª AproximaciónEspera Indefinida • Requisitos que cumple • Exclusión Mutua • Requisitos que no cumple • Interbloqueo • Hay intercalaciones en las que ningún proceso entra en la sección crítica

50. 4ª AproximaciónEspera Indefinida • Interbloqueo