BC1518-Sistemas Operacionais. Prof. Marcelo Z. do Nascimento

Transcrição

1 BC58-Sistemas Operacionais Deadlock (Impasse) Aula 7 Prof. Marcelo Z. do Nascimento marcelo.nascimento@ufabc.edu.br

2 Roteiro Conceito de Deadlock; Recursos; Condições de ocorrência; Estratégias para tratar Deadlocks; Prevenção de deadlocks; Leituras Sugeridas Exercícios

3 Na ausência de uma sincronização pode ocorrer um deadlock; Definição: É o congestionamento de requisições de recursos no âmbito de todo o sistema que começa quando 2 ou mais programas são colocados em espera até que o recurso vital se torne disponível. Normalmente não pode ser resolvido pelo S.O. e requer intervenção externa por parte do operador ou dos usuários, forçando a tomar atitudes drásticas, como provocar manualmente o término do programa. 3

4 Analogia: escada muito estreita em um prédio. A escada foi construída como uma rota de fuga na eventualidade de um incêndio, As pessoas que trabalham no prédio muitas vezes preferem usá-las ao invés de esperar pelos elevadores. O tráfego vai bem até que duas pessoas movendo em direção opostas se cruzam - há espaço para apenas uma pessoa em cada degrau. 4

5 Analogia: Congestionamento de trânsito Situação de deadlock 5

6 - Recursos Existem 2 tipos de recursos: Preemptivos: podem ser retirados do processo sem prejuízos; Exemplo: Memória 2 processos solicitam a impressão (sistema time-sharing) Processo A obtém a impressora; CPU retira processo A e processo B tenta obter a impressora; Situação de deadlock; Envia processo B para disco e carrega o processo A na memória elimina o deadlock; 6

7 Não-preemptivos: não podem ser retirados do processo => causam prejuízos; CD-ROM; Processo A começou a gravar um CD-ROM, Retirar repentinamente do processo A o gravador de CD e passar a um outro processo, Resultará em um CD com erros. Deadlocks ocorrem com esse tipo de recurso; 7

8 Como é a seqüência de eventos para utilização de um recurso compartilhado? Requisição do recurso; Utilização do recurso; Liberação do recurso; Se não estiver disponível, o que pode ocorrer? Processo que requisitou o recurso fica bloqueado até que o recurso seja liberado; Processo que requisitou o recurso falha e depois de um certo tempo tenta novamente requisitar o recurso; 8

9 - Aquisição typedef int semaphore; semaphore recurso_; semaphore recurso_2; void processoa(void){ down(&recurso_); down(&recurso_2); Usar_ambos_itens( ); up(&recurso_2); up(&recurso_); } void processob(void){ down(&recurso_); down(&recurso_2); Usar_ambos_itens( ); up(&recurso_2); up(&recurso_); } Possibilidade de Impasse typedef int semaphore; semaphore recurso_; semaphore recurso_2; void processoa(void){ down(&recurso_); down(&recurso_2); Usar_ambos_itens( ); up(&recurso_2); up(&recurso_); } void processob(void){ down(&recurso_2); down(&recurso_); Usar_ambos_itens( ); up(&recurso_); up(&recurso_2); } 9

10 Condições de ocorrência

11 Condições para ocorrer um deadlock: Analogia com a escada: Exclusão mútua: um recurso está sendo utilizado por algum processo ou está disponível (escada); Uso e espera (hold and wait): processos que já possuem algum recurso podem requer outros recursos para finalizar(duas pessoas se encontram no lance da escada);

12 Condições para ocorrer um deadlock: Analogia com a escada: Não-preempção: recursos já alocados não podem ser retirados do processo que os alocou; somente o processo que alocou o recurso pode liberá-lo (escada); Espera Circular: Deve existir um encadeamento circular de dois ou mais processos; cada um deles encontra-se à espera de um recursos que está sendo usado pelo mebro seguinte dessa cadeia (monopoliza o recurso ocupa um degrau e se recusa a retroceder). 2

13 Modelagem de deadlocks

14 Modelagem de Deadlocks Holt (972) as condições podem ser visualizadas através de grafos direcionados; Processo Recurso Aresta de alocação a) Recurso R alocado ao Processo A b) Processo B requisita Recurso S c) Deadlock ciclo C-T-D-U-C 4

15 Modelagem de Deadlocks Cenário Grafos de Recursos Tempo Ação P requisita e obtém R P libera R P2 requisita e obtém R2 P2 libera R2 P3 requisita e obtém R3 P3 libera R3 R R2 R3 P P2 P2 Processo 5

16 Modelagem de Deadlocks Cenário 2: Processos fazem E/S quanto CPU e utiliza algoritmo de alternância circular Tempo Ação P requisita e obtém R P2 requisita e obtém R2 P3 requisita e obtém R3 P requisita R2 P2 requisita R3 P3 requisita R R R2 R3 P P2 P3 Bloqueado 6

17 Modelagem de Deadlocks Cenário 2: Algoritmo de alternância circular Tempo Ação P requisita e obtém R P2 requisita e obtém R2 P3 requisita e obtém R3 P requisita R2 P2 requisita R3 P3 requisita R R R2 R3 P P2 P3 Impasse Como o SO poderia resolver esse problema? A ordem de execução seria uma solução? => P2? 7

18 Estratégias para tratar deadlocks

19 Quatro estratégias para tratar deadlocks: Ignorar o problema; Detectar e recuperar o problema; Evitar dinamicamente o problema alocação cuidadosa de recursos; Prevenir o problema por meio da não satisfação de uma das quatro condições citadas anteriormente; 9

20 Ignorar o problema: Enterre sua cabeça na areia e finja que nada está acontecendo (ALGORITMO DO AVESTRUZ). Profissionais reagem diferentemente a essa estratégia? Matemáticos consideram inaceitável e devem ser evitados / Engenheiros não aceitam perder desempenho para eliminar deadlock A maioria dos S.O. sofre potencialmente de deadlocks que normalmente não são detectados e muito menos anulados. 2

21 Exemplo: Sistema UNIX tem entradas na tabela de processos; programas estão sendo executados; cada um precisa criar 2 (sub)processos; Após cada processo ter criado 9 outros processos, os originais e os 9 novos esgotaram a capacidade da tabela. Cada processo entra em um laço infinito de execução de fork e falha, ou seja, ocorre uma situação de deadlock. 2

22 Maioria do S.O. (Windows e Unix) ignora o problema, supondo que a maior parte dos usuários preferiria um deadlock ocasional a uma regra que restrinja cada usuário somente a um processo. Problema: Custo é alto implica restrições não convencionais de processos (criar conjunto de regras). 22

23 Detectar e Recuperar o problema: Permite que os deadlocks ocorram, tenta detectar as causas e solucionar a situação; Utilizados em computadores de grande porte (Mainframe); Algoritmos: Detecção com um recurso de cada tipo; Detecção com vários recursos de cada tipo; Recuperação por meio de preempção; Recuperação por meio de rollback (volta ao passado); Recuperação por meio de eliminação de processos. 23

24 Detecção com um recurso de cada tipo: Tem um recurso de cada tipo: ploter, impressora, CD Se houverem ciclos, existem potenciais deadlocks; Situação: com 7 processos PA usa R e precisa de S; PB precisa de T; PC precisa de S; PD usa U e precisa de S e T; PE usa T e precisa de V; PF usa W e precisa de S; PG usa V e precisa de U; Modelagem: Grafo de recursos 24

25 Detecção com um recurso de cada tipo: Resposta através da construção de um grafo; Se houverem ciclos, existem potenciais deadlocks; Processos: A-G Recursos: R-W R C alocado Arresta A S F W precisa D U G B T Sistema => 7 processos Nós E V Ciclo Situação: PA usa R e precisa de S; PB precisa de T; PC precisa de S; PD usa U e precisa de S e T; PE usa T e precisa de V; PF usa W e precisa de S; PG usa V e precisa de U; Pergunta: Há possibilidade de deadlock? P L O T E r 25

26 Algoritmo (aplicação): começa utilizando uma lista L Execução a partir de R->A,B,C,S,D,T,E,F (ciclo para); ) Início R => L=[R, A ], L=[R, A, S] =>S não tem arco de saída (retorna); 2) Início A => L=[A,S] S não tem arco de saída (retorna); 3) Início B => L=[B,T,E,V,G,U,D] = escolher S vamos para um nó sem saída e retornamos em D 4) Caso contrário: L=[B,T,E,V,G,U,D,T] =>ciclo INÍCIO R A C S F Arcos W precisa D U G B T E V 26

27 Detecção com vários recursos de cada tipo (baseado em matrizes): Classes diferentes de recursos vetor de recursos existentes (E): Classe= unidade de fita e E =2 => existem duas unidades de fita; Vetor de recursos disponíveis (A): Se ambas as unidades de fita estiverem alocadas, A =; Duas matrizes: C: matriz de alocação corrente; C ij : número de instâncias do recurso j entregues ao processo i; R: matriz de requisições; R ij : número de instâncias do recurso j que o processo i precisa; 27

28 4 unidades de fita; 2 plotter; 3 impressoras; unidade de CD-ROM Recursos existentes E = (4 2 3 ) UF P I UCD Matriz de alocação C = UF P I UCD 2 2 Recursos P P 2 P 3 Recursos disponíveis A = (2 ) UF P I UCD Matriz de requisições R = UF P I UCD 2 2 Três processos: P usa uma impressora; P 2 usa duas unidades de fita e uma de CD-ROM; P 3 usa um plotter e duas impressoras; Cada processo precisa de outros recursos (R); P P 2 P 3 28

29 4 unidades de fita; 2 plotter; 3 impressoras; unidade de CD-ROM Recursos existentes E = (4 2 3 ) C = UF P I UCD Matriz de alocação P Requisições (satisfazer a condição): P requisita 2 unidades de fita e um CD-ROM (não pode atender); P 2 requisita unidade de fita e impressora (não pode atender); P 3 requisita duas unidades de fita e um plotter; P 2 R = P 3 Recursos disponíveis A = (2 ) P 3 pode rodar Após rodar P3 =>A = (2 2 2 ) Matriz de requisições 2 P P 2 P 3 29

30 4 unidades de fita; 2 plotter; 3 impressoras; unidade de CD-ROM Recursos existentes E = (4 2 3 ) Matriz de alocação C = 3 Requisições: P requisita duas unidades de fita e um CD-ROM; P 2 requisita uma unidade de fita e uma impressora; P P 2 P 3 R = Recursos disponíveis A = (2 ) A = (2 2 2 ) P 2 pode rodar A = (4 2 2 ) Matriz de requisições 2 P P 2 P 3 3

31 4 unidades de fita; 2 plotter; 3 impressoras; unidade de CD-ROM Requisições: P requisita duas unidades de fita e um CD-ROM; Recursos existentes E = (4 2 3 ) Matriz de alocação C = 2 Recursos disponíveis A = (2 ) A = (2 2 2 ) A = (4 2 2 ) P pode rodar P Matriz de requisições P P 2 P 3 R = P 2 P 3 3

32 Ao final da execução, temos: Recursos existentes E = (4 2 3 ) 4 unidades de fita; 2 plotters; 3 impressoras; unidade de CD-ROM Recursos disponíveis A = (4 2 3 ) Matriz de alocação C = P P 2 P 3 R = Matriz de requisições P P 2 P 3 32

33 4 unidades de fita; 2 plotters; 3 impressoras; unidade de CD-ROM Recursos existentes E = (4 2 3 ) Matriz de alocação C = UF P I UCD 2 2 P P 2 P 3 Requisições: DEADLOCK: P 3 requisita duas unidade de fita, uma impressora e uma unidade de CD-ROM; Recursos disponíveis A = (2 ) Matriz de requisições R = UF P I UCD 2 2 P P 2 P 3 CARO TEMPO DE CPU 33

34 Se localizado o Impasse. O que deve ser feito? Recuperação de Deadlocks: Por meio de preempção: possibilidade de retirar temporariamente um recurso de seu atual dono (processo) e entregá-lo a outro processo; Por meio de revisão de estado: recursos alocados a um processo são armazenados em arquivos de verificação; quando ocorre um deadlock, os processos voltam ao estado no qual estavam antes do deadlock. 34

35 Recuperação de Deadlocks: Por meio de eliminação de processos: processos que estão no ciclo com deadlock são retirados do ciclo; processos que não causam algum efeito negativo ao sistema; Ex.: compilação sem problemas; Ex2.: atualização de um base de dados problemas nos registros adiciona (morto) adicionará 2; 35

36 É possível evitar impasse fazendo uma escolha correta? Evitar dinamicamente o problema: Alocação individual de recursos; Utiliza matrizes descritas anteriormente; Escalonamento cuidadoso; Trabalhar com Estados Seguros e Inseguros; 36

37 É possível evitar impasse fazendo uma escolha correta? Algoritmos: Extensão do algoritmo de detecção de deadlocks; Banqueiro para um único tipo de recurso; Banqueiro para vários tipos de recursos; 37

38 Estados seguros: não provocam deadlocks e há uma maneira de atender a todas as requisições pendentes finalizando normalmente todos os processos; Existe alguma ordem de escalonamento na qual todo o processo possa ser executado até a sua conclusão; Estado inseguros: podem provocar deadlocks, mas não necessariamente provocam; 38

39 Seguro: ilizado tal licitado Começa escalonando o processo B C 4 2 B 9 3 A 7 2 C 4 4 B 9 3 A 7 2 C - B 9 3 A 7 7 C - B 9 3 A - C - B 9 3 A Disponível: 3 Disponível: Disponível: 5 Disponível: Disponível: 7 uti Tot sol

40 Inseguro (não é deadlock): Solicitará e obterá outro recurso Não há garantia que todos irão terminar C 4 2 B 9 3 A 7 2 C 4 2 B 9 4 A 7 2 C 4 4 B 9 4 A 7 2 C - - B 9 4 A Disponível: 3 Disponível: 2 Disponível: Disponível: 4 Começa escalonando o processo A recurso

41 Algoritmos do Banqueiro: Idealizado por Dijkstra (965); Segue os seguintes princípios (analogia): Nenhum cliente receberá um empréstimo maior do que o capital total do banco. Todos os clientes receberão um limite de crédito ao abrir suas contas. Nenhum cliente poderá ultrapassar esse limite. A soma de todos os empréstimos não poderá ultrapassar o capital total do banco. 4

42 Algoritmos do Banqueiro: Considera cada requisição no momento em que ela ocorre verificando se essa requisição leva a um estado seguro; Se sim, a requisição é atendida, Senão, o atendimento é adiado para um outro momento; 42

43 Algoritmos do Banqueiro: Premissas adotadas por um banqueiro (SO) para garantir ou não crédito (recursos) para seus clientes (processos); Nem todos os clientes (processos) precisam de toda a linha de crédito (recursos) disponível para eles; 43

44 Algoritmo do Banqueiro para um único tipo de recurso: Possui A B C D Máximo de linha de crédito = 22 A B C* D 2 4 Livre: Livre: 2 Livre: Seguro Seguro Inseguro A B C D Solicitações de crédito são realizadas de tempo em tempo; * C é atendido e libera 4 créditos, que podem ser usados por B ou D; 44

45 Algoritmo do Banqueiro para um único tipo de recurso: Possui A B C D Máximo de linha de crédito = 22 A B C D A B* C D Livre: Livre: 2 Livre: Seguro Seguro Inseguro Solicitações de crédito são realizadas de tempo em tempo; * B é atendido. Em seguida os outros fazem solicitação, ninguém poderia ser atend

46 Algoritmo do Banqueiro para vários tipos de recursos: Mesma idéia, mas duas matrizes são utilizadas; Recursos E = ( ); Alocados P = ( ); Disponíveis A = ( 2 ); A B 3 C D E C = Recursos Alocados A B 2 C D 3 E 2 R = Recursos ainda necessários 46

47 Algoritmo do Banqueiro para vários tipos de recursos: Alocados P = ( ); Disponíveis A = ( ); A B 3 C D E C = Recursos Alocados Atender a solicitação de B => seguro A B 2 C D 3 E 2 R = Recursos ainda necessários 47

48 Algoritmo do Banqueiro para vários tipos de recursos: Alocados P = ( ); Disponíveis A = ( ); A B 3 C D E C = Recursos Alocados A B 2 C D 3 E 2 R = Recursos ainda necessários Inseguro: negar Deadlock Solução: Adiar a requisição de E por alguns instantes; 48

49 Algoritmo do Banqueiro: Desvantagens Pouco utilizado, pois é difícil saber quais recursos serão necessários; O número de processos é dinâmico e pode variar constantemente tornando o algoritmo custoso (difícil de implementar); Vantagem Teoricamente => o algoritmo é ótimo; 49

50 Prevenir Deadlocks: Atacar uma das quatro condições: Condição Exclusão Mútua Uso e Espera Abordagem Alocar todos os recursos usando um spool Requisitar todos os recursos inicialmente Não-preempção Retirar recursos dos processos Espera Circular Ordenar numericamente os recursos; Mais atrativa de ser praticada; 5

51 Aula 7 - Sumário Recursos: Preemptivo e não preemptivo Impasses: modelagem Algoritmo do avestrutz Detecção e recuperação de impasses Evitando impasses Prevenção de impasses

52 Leituras Sugeridas Silberschatz, A., Galvin, P. B. Gagne, G. Sistemas Operacionais com Java. 7º edição. Editora Campus, 28. TANENBAUM, A. Sistemas Operacionais Modernos. Rio de Janeiro: Pearson, 3 ed. 2

53 Nota de Aula Acesse o link abaixo: Obrigado!!!

54 Exercícios - Deadlocks. Considere o deadlock de tráfego indicado na figura abaixo: a) Mostre que as quatros condições para o deadlock de fato estão presentes nesse exemplo. b) Apresente uma regra simples que evite deadlock nesse sistema. 54

55 Exercícios - Deadlocks 2. Dados que os dispositivos são todos do mesmo tipo e utilizando as definições apresentada sobre o algoritmo do Banqueiro responda às seguintes perguntas: a)determine as requisições restantes para cada programa no sistema. b) Determine se cada sistema é seguro ou inseguro. c) Se o sistema tiver em estado seguro, relacione a seqüência de requisições e liberações que possibilitará a execução completa de todos os processos. d) Se o sistema estiver em estado inseguro, mostre como é possível ocorrer um impasse. 55

56 Exercícios i)sistema A tem 2 dispositivos; apenas está disponível. Número do programa Dispositivos alocados Máximo de requisições Requisições restantes

57 Exercícios ii)sistema B tem 4 dispositivos; apenas 2 está disponível. Número do programa Dispositivos alocados Máximo de requisições Requisições restantes