Sincronismo e Comunicação entre Processos

1. Sincronismo e Comunicação entre Processos Sistemas Operacionais

2. Conteúdo • Introdução; • Aplicações Concorrentes; • Problemas no Compartilhamento de Recursos; • Exclusão Mútua; • Soluções de Exclusão Mútua; • Sincronização Condicional; • Semáforos; • Monitores; • Troca de Mensagens; • Deadlock; • Prevenção de Deadlocks; • Detecção e Recuperação; • Gerenciamento Manual de Deadlocks; • Exercícios. Sistemas Operacionais

3. Introdução • Com os sistemas multiprogramáveis, é possível que partes diferentes do código do programa possam ser executadas concorrentemente. É denominada de Aplicação Concorrente e baseia-se na execução cooperativa de múltiplos processos, que trabalham em uma mesma tarefa na busca de um resultado comum. • Estes processos compartilham recursos e isso pode ocasionar situações indesejáveis, podendo comprometer a execução das aplicações. • Para evitar isso, os Processos Concorrentes possuem suas execuções sincronizadas, com o objetivo de garantir o processamento correto dos programas. Sistemas Operacionais

4. Aplicações Concorrentes • Em uma aplicação concorrente é necessário que processos comuniquem-se entre si através de variáveis compartilhadas na Memória Principal outroca de mensagens. • Nessa situação os processos devem ter sua execução sincronizadas pelo SO. • São os Mecanismos de Sincronização que garantem a comunicação entre processos concorrentese o acesso aos recursos. Sistemas Operacionais

5. Problemas no Compartilhamento de Recursos • Problemas podem ocorrer devido a falha de Sincronização entre processos concorrentes. • Exemplo: Situação onde dois processos (A e B) executam um comando de atribuição. O processo A soma 1 na variável X e o processo B diminui 1 da mesma variável que está compartilhada. Inicialmente X=2. • Seria razoável que o resultado de X continuasse 2, porém isso nem sempre será verdade. • Qualquer situação onde dois ou mais processos compartilham um mesmo recurso, deve existir um mecanismo de controle para evitar problema similar ao exemplo acima e esse controle é conhecido como RACE CONDITIONS, ou Condições de Corrida. Sistemas Operacionais

6. Exclusão Mútua • Impede que dois ou mais processos acessem um mesmo recurso simultaneamente. Exclusividade de acesso. • Enquanto um processo estiver acessando um recurso, os demais que queiram acessá-lo deverão esperar pelo término de sua utilização. • A parte do código do programa onde é feito o recurso de compartilhamento é a REGIÃO CRÍTICA. Se for possível evitar que dois processos entrem em Região Crítica ao mesmo tempo, os problemas de compartilhamento estarão evitados. • Tanto para executar uma instruções na Região Crítica quanto para sair dela, executa-seum protocolo que garante a Exclusão Mútua da Região Crítica do programa. Sistemas Operacionais

7. Exclusão Mútua O acesso sincronizado, além da Exclusão Mútua evitaduas situações indesejáveis: • STARVATION ou Espera Indefinida: É a situação em que um processo nunca consegue executar sua Região Crítica, acessando o recurso compartilhado. Quando o processo é liberado, é o SO que seleciona qual processo fará parte do recurso. O critério de Escolha é baseado pela prioridade do processo. A solução é a implementação de uma fila FIFO. • Um processo fora de sua Região Crítica impeça que outros processos entrem em suas próprias Regiões Críticas. Isto ocorre ao recurso estar livre, não está sendo utilizado, mas ainda alocado a um processo, impedindo que os demais o utilizem. Sistemas Operacionais

8. Soluções para a Exclusão Mútua Desabilitação de Interrupções: Faz com que o processo desabilite todas as interrupções antesde entrar na Região Crítica e as reabilite apósdeixar a Região Crítica. Instruções de Test – and – Set: Permite ler uma variável, armazenar seu conteúdo em outra área e atribuir um novo valor a mesma variável, através de uma única instrução de máquina. Com isso torna-se impossível que dois processos manipulem uma variável compartilhada ao mesmo tempo. Sistemas Operacionais

9. Sincronização Condicional Situação onde o acesso ao recurso compartilhado exige a Sincronização de processos vinculada a uma condição de acesso. Ex.: Comunicação entre dois processos através de operações de leitura e gravação em buffer, onde os processos que geram informações (processos produtores) são utilizados por outros processos (consumidores). Enquanto um processo grava os dados em um buffer, o outro lê os dados concorrentemente. Esse problema de sincronização é conhecido como Produtor / Consumidor ou Buffer Limitado Sistemas Operacionais

10. Sincronização Condicional Sincronização e comunicação entre processos Sistemas Operacionais

11. Semáforo É uma variável inteira, não negativa, que só pode ser manipulada por duas instruções DOWN E UP, chamadas também de P (Proberen, teste em holandês) e V (Verhogen, incremento em holandês). São instruções que não podem ser interrompidas e são classificadas em: Binários: Chamados de Mutexes (Mutual Exclusion Semaphores), só podem assumir valores de O e 1. Semáforos Contadores: Podem assumir qualquer valor inteiro positivo além do O. Sistemas Operacionais

12. Semáforo Semáforo binário na exclusão mútua Sistemas Operacionais

13. Monitores • São implementados pelo compilador, possibilitando o desenvolvimento de programas concorrentes com chances de menos erros. • É formado por procedimentos e variáveis encapsulados dentro de um módulo, implementando de forma automática a Exclusão Mútua entre os procedimentos declarados. • Toda vez que algum processo faz uma chamada a um procedimento, o Monitor verifica se já existe outro processo executando algum procedimento no monitor. Caso exista, o processo fica aguardando a sua vez em uma fila de entrada. • Encarrega-se de garantir a Exclusão Mútua entre os procedimentos definidos. Sistemas Operacionais

14. Monitores Estrutura do monitor Sistemas Operacionais

15. Troca de Mensagens • Esse tipo de mecanismo de comunicação e sincronização de processos, o SO possui um subsistema de mensagens onde não há necessidade do uso de variáveis compartilhadas. É necessário que exista um buffer ou um link de uma rede de computadores como canal de comunicação. • Os processos cooperativos que podem utilizar o buffer através de duas rotinas: SEND e RECEIVE. • A rotina SEND envia uma mensagem para o processo receptor, enquanto a RECEIVE recebea mensagem enviada por um processo transmissor. • Com isso exige que os processos envolvidos na comunicação tenham suas execuções sincronizadas. Sistemas Operacionais

16. Troca de Mensagens Transmissão de mensagem Sistemas Operacionais

17. Troca de Mensagens A Troca de Mensagens pode ser implementada de duas maneiras: COMUNICAÇÃO DIRETA:Exige que tanto ao enviar ou receber uma mensagem, enderece o nome do processo Receptor ou Transmissor. Só permite a troca de mensagens entre dois processos. Sistemas Operacionais

18. Troca de Mensagens COMUNICAÇÃO INDIRETA: • Utiliza uma área compartilhada onde as mensagens podem ser colocadas pelo processo transmissor e retiradas pelo receptor. Esse buffer é conhecido como MAILBOX e suas características, como identificação e capacidade de armazenamento de mensagens, são definidas no momento de criação. • Vários processos podem estar associados a MAILBOX. • Também possuem suas execuções sincronizadas em função do fluxo de mensagens. Sistemas Operacionais

19. Deadlock É a situação onde o processo aguarda por um recurso que nunca estará disponível ou um evento que não ocorrerá. É conseqüência do compartilhamento de recursos entre processos onde a Exclusão Mútua é exigida. Para que ocorra a situação de Deadlock, quatro condições são necessárias simultaneamente: 1- Exclusão Mútua: Cada recurso só pode estar alocado a um único processo em um determinado instante; 2- Espera por Recursos: Um processo, além dos recursos já alocados, ainda aguarda por outros recursos; 3- Não-Preempção: Um recurso não pode ser liberado de um processo só porque outros processos desejam o mesmo recurso; 4- Espera Circular: Um processo pode ter que esperar por um recurso alocado a outro processo e vice-versa. Sistemas Operacionais

20. Deadlock Espera circular Sistemas Operacionais

21. Prevenção de Deadlocks Para que um Deadlock ocorra, todas as quatro condições devem ocorrer simultaneamente. Se garantirmos que uma delas não ocorra, prevenirmos a ocorrência de Deadlocks em um determinado sistema. Examinaremos as quatro condições separadamente: 1- Negando a condição “Exclusão Mútua”: • Essa condição não deve ser negada, pois dois processos acessando um recurso simultaneamente poderia causar caos no sistema. Ex.: Dois processos acessando uma impressora ao mesmo tempo. Utilizando o sistema de spool é solucionado esse problema pois um único processo de spool acessa a impressora diretamente e não acessa outro recurso, com isso deadlocks não podem ocorrer, porém nem todos os recursos utilizam o spool. Sistemas Operacionais

22. Prevenção de Deadlocks 2- Negando a condição “Esperar por Recurso”: • Requer que todos os recursos que um processo precise devem ser requisitados de uma só vez. • O sistema deve liberar os recursos segundo uma política de tudo ou nada. • Se todos os recursos que o processo solicitou estão disponíveis, então o sistema pode alocá-los todos ao mesmo processo de uma vez. • Caso contrário, ele deverá esperar até que todos estejam disponíveis, porém nessa espera, não deve deter nenhum recurso. Assim a condição é negada e Deadlocks não podem ocorrer. Desvantagens: • Desperdício de Recursos: O recurso que será executado por último fica alocado ao processo antes de ser efetivamente utilizado. • Possibilidade de um processo ficar indefinidamente esperando, se outros processos estiverem usando os recursos que ele deseja com freqüência. Sistemas Operacionais

23. Prevenção de Deadlocks 3- Negando a condição “Não Preempção”: Negar a condição de “não-preempção” é uma estratégia ainda pior do que a anterior. Para vários recursos, não é interessante que um processo perca seus dados, porque foi interrompido durante seu uso. 4- Negando a condição “Espera Circular”: 1ª Maneira: Estabelecer regra que um processo só pode alocar um único recurso em um dado momento. Se ele precisa de um 2º recurso, deve liberar o primeiro; 2ª Maneira: Todos os recursos devem ser numerados em ordem crescente, assim processos podem requisitar recursos sempre. Sistemas Operacionais

24. Detecção e Recuperação • Alguns sistemas verificam se existe a possibilidade de surgir um Deadlock. (periodicamente ou certos eventos) • Caso esse algoritmo de detecção for executado muitas vezes, tornará o sistema lento, mas se não for executado vezes suficientes, os processos em Deadlock e os recursos do sistema ficam entrelaçados até que o sistema seja recuperado. • Problema acima surge devido a um Deadlock que impede de executar algum evento que dispare o algoritmo de execução. • Na estratégia do algoritmo de detecção, ele primeiramente detecta se ocorre a situação de Deadlock e depois recupera, desbloqueiando os recursos. Essa é a estratégia mais utilizada para tratamento de Deadlock. Sistemas Operacionais

25. Exercícios • Defina o que é uma aplicação concorrente e dê um exemplo de sua utilização? 2) O que é Exclusão Mútua e como é implementada? 3) Explique o que é sincronização condicional e dê um exemplo de sua utilização. 4) Diferencie Semáforos e Monitores. 5) Quais são os tipos possíveis de Semáforos? 6) O que é Deadlock, qual a condição para obtê-lo e quais as soluções possíveis? 7) O que é mecanismo de troca de mensagens e como pode ser implementado? 8) O que é Região Crítica em um programa? 9) Liste uma solução para a Exclusão Mútua explicando-a. 10) " Independente do mecanismo de comunicação adotado, processos que estão trocando mensagens devem ter suas execuções sincronizadas".Esta afirmação está correta? Justifique Sistemas Operacionais