IET110 Sistemas Operativos

1. IET110Sistemas Operativos P04: Exclusión Mutua Slide: 1 Prof. Jonathan Makuc

2. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Temario :// • Comunicación entre procesos • Conflicto de recursos entre procesos • Conceptos de Exclusión mutua (race condicion, atomicidad, etc) • Implementación de Exclusión mutua (testAndSet, semaforos, etc) • Soluciones Por Hardware • Soluciones Por Software Sistemas Operativos – ICC243 [ 2 ] Prof. Jonathan Makuc

3. P R P Q IPC (A) IPC Q Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Comunicación entre procesos (IPC) :// • Comunicación entre procesos sin la necesidad de compartir variables. • Operaciones: Envío de mensajes, recepción de mensajes • Permite la separación completa, reduciendo los errores, permitiendo que procesos que no pueden confiar uno del otro, cooperen • Indirecto: • Send(A, mensaje) • Recieve(A, mensaje) • Directo: • Send(Q, mensaje) • Recieve(P, mensaje) Sistemas Operativos – ICC243 [ 3 ] Prof. Jonathan Makuc

4. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Conflicto de Recursos entre procesos :// • Problemas comunes: • Productor no termina de escribir mensaje y consumidor asume un largo incorrecto de mensajes • Dos o más productores envían mensajes simultáneamente intercalándose la información • Dos o más consumidores revisan la cola al mismo tiempo produciéndose una duplicación del proceso del mensaje Sistemas Operativos – ICC243 [ 4 ] Prof. Jonathan Makuc

5. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Conceptos :// Race Condition (Condición de competencia): falla en un sistema donde el resultado depende críticamente del orden relativo de los eventos. Atomicidad: operación que se realiza por completo o no tiene efecto alguno. Región (Sección) Crítica: porción de código que no puede ser ejecutada concurrentemente, de lo contrario el resultado es incierto. Algoritmos de Exclusión Mutua (MUTEX): usados para evitar el uso concurrente de un recurso que no se puede compartir. Deadlock: condición en la cual dos o más procesos se encuentran en un estado donde ninguno puede avanzar dado que otro proceso posee un recurso requerido y viceversa. Sistemas Operativos – ICC243 [ 5 ] Prof. Jonathan Makuc

6. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Conceptos :// • Condiciones de una buena solución Mutex: • No puede haber más procesos de los establecidos, ejecutando una sección crítica • No se puede hacer suposiciones sobre la velocidad o cantidad de CPU • Ningún proceso fuera de su sección crítica puede bloquear otros procesos • Ningún proceso debería esperar por siempre para entrar a su región crítica • “Si algo puede salir mal, SALDRA.” -- Ley de Murphay Sistemas Operativos – ICC243 [ 6 ] Prof. Jonathan Makuc

7. Proc A Proc B Inicio Inicio Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Race Conditon :// Suponga que la salida de B depende del resultado de A A no alcanza a terminar a tiempo Se requiere del resultado de A Sistemas Operativos – ICC243 [ 7 ] Prof. Jonathan Makuc

8. Región Critica Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Región Critica y Atomocidad :// global contador; char a; while(1) { a = getChar(); if(char != ‘ ‘) { contador++; char = ‘ ’ } else { contador--; } } Debe ser atómica Sistemas Operativos – ICC243 [ 8 ] Prof. Jonathan Makuc

9. Disco Duro Señal I/O (Interrupcion) Tarjeta de Red Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// Interrupciones Las Interrupciones son señales electricas que llegan de dispositivos de hardware, que provoca que el sistema operativo pase a modo kernel y atienda el evento. Esta acción suele provocar cambio de contexto. Time Slice Proc6 Proc1 CPU1 Proc7 Proc8 Sistemas Operativos – ICC243 [ 9 ] Prof. Jonathan Makuc

10. Time Slice Proc2 Int off Proc1 CPU1 Proc3 Proc4 Disco Duro Señal I/O (Interrupcion) Tarjeta de Red Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// Apagado de Interrupciones Se deshabilitan las interrupciones de la CPU permitiendo que complete su tarea atómicamente al impedir que se produzca cambio de contexto. • Útil para permitir al Sistema Operativo realizar operaciones atómicas Sistemas Operativos – ICC243 [ 10 ] Prof. Jonathan Makuc

11. Proc6 Proc2 Int off Proc1 Proc5 CPU1 CPU2 Proc7 Proc3 Memoria Compartida Proc8 Proc4 Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// Apagado de Interrupciones Se deshabilitan las interrupciones de la CPU permitiendo que complete su tarea atómicamente al impedir que se produzca cambio de contexto. Inconvenientes: - De permitir su uso por un proceso de usuario, este podría apagarlas y no reanudarlas, bloqueando completamente la CPU. - En sistemas multiprocesador, este método solo apaga las interrupciones del CPU que corría el proceso en cuestión. Otros procesos podrán acceder a la memoria compartida. • Útil para permitir al Sistema Operativo realizar operaciones atómicas Sistemas Operativos – ICC243 [ 11 ] Prof. Jonathan Makuc

12. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • TestAndSet • El hardware proporciona un método que permite setear una variable atómicamente retornando el valor anterior de la misma. Si el valor difiere del seteado, entonces se ha logrado ingresar nuestro dato, de lo contrario esta la información de otro proceso. Sistemas Operativos – ICC243 [ 12 ] Prof. Jonathan Makuc

13. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • TestAndSet • Ejemplo Básico:un programa que permita que solo 1 proceso ingrese a la región crítica simultáneamente, sin importar si provoca starvation. B while(1) { while(testAndSet(c, 1)); RegionCritica(); c = 0; } global int c = 0; A while(1) { while(testAndSet(c, 1)); RegionCritica(); c = 0; } Sistemas Operativos – ICC243 [ 13 ] Prof. Jonathan Makuc

14. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • TestAndSet • Ejemplo: escriba 2 programas que se alternen una Región crítica utilizando test and set. B while(1) { while(testAndSet(p, 0)); while(testAndSet(c, 1)); RegionCritica(); c = 0; p = 1; } global p = 1; global c = 0; A while(1) { while(testAndSet(c, 1)); while(testAndSet(p, 1)); RegionCritica(); p = 1; c = 0; } Sistemas Operativos – ICC243 [ 14 ] Prof. Jonathan Makuc

15. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • TestAndSet • Ejemplo: escriba 2 programas que se alternen una Región crítica utilizando test and set. B while(1) { while(testAndSet(p, 1)); RegionCritica(); c = 0; } global p = 1; global c = 0; A while(1) { while(testAndSet(c, 1)); RegionCritica(); p = 0; } Sistemas Operativos – ICC243 [ 15 ] Prof. Jonathan Makuc

16. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Variables Lock (Bloqueo) • Se consulta una variable antes de entrar a la región crítica cambiando su valor para impedir que otro proceso entre. • Inconveniente: • - Se produce una condición de competencia entre el paso de verificación y seteo de la variable, antes de la región crítica. while(1) { if(lock == 1) { lock = 0; regionCritica(); lock = 1; } } Sistemas Operativos – ICC243 [ 16 ] Prof. Jonathan Makuc

17. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Alternación estricta • Se proporciona un método vía programación del usuario donde 2 o más procesos se turnan secuencialmente para entrar a sus regiones críticas. • Inconveniente: poco recomendable cuando uno de los procesos es mucho mas lento que los otros, ya que este podría bloquear al resto estando fuera de su sección crítica. Sucede cuando el proceso lento da acceso al rápido a la RC, la ejecuta junto con su región no critica y espera a que el proceso lento termine con su región no critica. while(1) { while(turno != 1); regionCritica(); turno = 0; RegionNoCritica(); } while(1) { while(turno != 0); regionCritica(); turno = 1 regionNoCritica(); } Espera innecesaria producto de que el otro proceso es mucho mas lento Sistemas Operativos – ICC243 [ 17 ] Prof. Jonathan Makuc

18. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Solución de Peterson - enter_region, leave_region La doble condición permite considerar el caso inicial cuando los 2 procesos entras simultáneamente y el segundo cambia “turn”, como el caso alternante donde se utiliza la variable de interés Inconveniente: solución solo para 2 procesos Sistemas Operativos – ICC243 [ 18 ] Prof. Jonathan Makuc

19. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Dormir y despertar • El proceso verifica si puede ingresar a la región critica, si no puede duerme y luego verifica nuevamente. • Problema: • Si un proceso tiene clara preferencia de scheduling sobre otro, ocurrirá que aquel rezagado no pueda salir nunca de su sección crítica provocando una inversión de prioridad Sistemas Operativos – ICC243 [ 19 ] Prof. Jonathan Makuc

20. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Semáforos • Solución propuesta por Dijkstra en 1965 que sugiere el uso de un contador para las llamadas de liberación (ej: wakeup) y así guardarlas para un futuro. Un usuario no debe modificar este contador directamente y solo tiene acceso a los siguientes métodos atómicos: • P() o down(): verifica si el valor del contador. Si es mayor que cero, decrementa el valor y continua la ejecución. Si es cero se bloquea, no terminando la llamada P(). • V() o up(): aumenta el valor del contador en 1. Si existen procesos bloqueados, se escoge uno al azar y se le permite terminar la operación down(). • Los semáforos deben ser implementados a nivel de sistema operativo, pues requieren del control de este para bloquear y desbloquear un proceso. Un caso especial es el de la JVM (Java Virtual Machine), la cual maneja las llamadas a semáforos que esta misma implementa; comportándose de esta forma como el SO de las aplicaciones java que corren sobre ella. Sistemas Operativos – ICC243 [ 20 ] Prof. Jonathan Makuc

21. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Semáforos – Ejemplo Básico • Utilice semáforos para proveer exclusión mutua a la llamada regionCritica(). • Solución: • mutex = new Semaforo(1); while(1) { mutex.p(); regionCritica(); mutex.v(); } Sistemas Operativos – ICC243 [ 21 ] Prof. Jonathan Makuc

22. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Semáforos - Ejemplo • Construya 3 programas A, B y C que generen la siguiente salida: • > CBACBACBACBACBACBA… • Solución: • Semáforos a utilizar: • a = new Semaforo(0); • b = new Semaforo(0); • c = new Semaforo(1); A while(1) { a.p(); print(“A”); c.v(); } B while(1) { b.p(); print(“B”); a.v(); } C while(1) { c.p(); print(“C”); b.v(); } Sistemas Operativos – ICC243 [ 22 ] Prof. Jonathan Makuc

23. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// Semáforos v/s Variables Condición Las variables tienen un comportamiento idéntico a los semáforos, con la salvedad que estas NO acumulan ni cuentan llamadas de liberación. Variables Condición wait() signal() Si no existen procesos que hayan hecho wait(), el signal() se pierde irremediablemente Semáforos P() o down() V() o up() Acumulación de liberaciones para su uso posterior Sistemas Operativos – ICC243 [ 23 ] Prof. Jonathan Makuc

24. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Monitores • Solución implementada por un lenguaje de programación. Mediante la inclusión de palabras clave en el código, al momento de compilar el lenguaje incorpora las primitivas que considere adecuadas para proporcionar exclusión mutua. • Ejemplo: Java – synchronized • class Ejemplo { • public void synchronized funcion1() { …. } • public void synchronized funcion2() { …. } • } • En este ejemplo ambos métodos son excluyentes. • Solo uno puede ser llamado simultáneamente Sistemas Operativos – ICC243 [ 24 ] Prof. Jonathan Makuc

25. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Transferencia de Mensajes • Este método de comunicación entre procesos utiliza 2 primitivas: • Estilo CEstilo Java • send(destino, &mensaje) send(destino, mensaje) • recieve(origen, &mensaje) mensaje = recieve(origen) • Las llamadas send y recieve bloquean (o retornan un mensaje de error) cuando no existe disponibilidad de envió o mensaje que leer. • ítems importantes en un sistema de mensaje: • ACK (Acknowledge): acuse de recibe permite al emisor verificar la correcta recepción del mensaje. • Número de secuencia de mensaje: permite al receptor detectar mensajes repetidos. Sistemas Operativos – ICC243 [ 25 ] Prof. Jonathan Makuc

26. Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Transferencia de Mensajes: Modus operandi • El consumidor envía N mensajes vacío al producto. • El productor cada vez que necesita enviar un mensaje toma uno de los mensajes vacíos y lo devuelve lleno. • El consumidor recibe y procesa el mensaje, reenviando al productor el mensaje vacío para obtener mas información. • Variantes: • Sistema de buzón: espacio de memoria compartida que utilizan ambos procesos. Cuando el buzón detecta que esta vació, la llamada recieve bloquea. De la misma forma cuando el buzón esta lleno, send bloquea. • No buffers: si no se utilizan buffers, buzones o paso de mensajes vacíos, entonces se tiene una comunicación completamente sincrónica. Aquí si se ejecuta send antes que recieve, el productor bloquea hasta que el consumidor recibe correctamente, y viceversa. Sistemas Operativos – ICC243 [ 26 ] Prof. Jonathan Makuc

27. Barrera Barrera Barrera Sistemas Operativos: Exclusión Mutua Implementación de Exclusión Mutua :// • Barreras • Primitiva pensada para grupos de procesos. Bloquea la ejecución de un conjunto, hasta que un número determinado esté esperando para liberarlos simultáneamente. Sistemas Operativos – ICC243 [ 27 ] Prof. Jonathan Makuc

28. IET110Sistemas Operativos P04: Exclusión Mutua Slide: 28 Prof. Jonathan Makuc