Monitores. Conceito Sistemas Operacionais II

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1 Monitores Conceito Sistemas Operacionais II

2 Monitores Autores Daniel Artur Seelig Fábio Lutz Local Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Informática Sistemas Operacionais II Professor Cláudio Geyer Versão: v12, setembro 2011

3 Índice Visão Geral... Conceito... Idéia Geral... Variáveis de Condição... Exemplo de Monitor... Esquema de um Monitor... Exercício... Conclusão... Bibliografia...

4 Motivação Mecanismo mais elegante que semáforos Propiciar programação mais correta Visão Geral Um monitor pode ser visto como um bloco que contém internamente dados locais e procedimentos para manipular estes dados que são acessíveis apenas aos procedimentos do próprio monitor

5 Visão Geral (continuação) Os procedimentos são executados de forma mutuamente exclusiva quando chamados pelos processos (tarefas) Dessa forma, um monitor garante exclusão mútua na manipulação de seus dados. 2 monitores são independentes, isto é: Podem ser chamados (usados) concorrentemente por 2 tarefas

6 Conceito de Monitor São mecanismos utilizados por muitas linguagens de programação (tais como Pascal Concorrente, Modula, Euclid Concorrente, etc) que permitem a sincronização de processos. Até o surgimento de Java, de modo geral as linguagens que aplicavam o conceito de monitores eram linguagens acadêmicas ou restritas a uma comunidade específica (empresas,...). C# (criada pela MS após Java) também faz uso do conceito de monitores

7 Conceito de Monitor (continuação) São mecanismos de alto nível (de fácil utilização) para sincronização e intercomunicação de processos e que impõem uma boa estruturação aos programas concorrentes que os utilizam.

8 Idéia Geral Monitores são, na realidade, estruturas de dados abstratas com facilidades para sincronização de processos. São semelhantes aos objetos da programação orientada a objetos Em alguns aspectos

9 Sinalização Tendo resolvido o problema de exclusão mútua no acesso a dados compartilhados Como combinar monitores com sinalização? Semáforos? Primitivas block e wakeup?

10 Variáveis de Condição Além dos tipos de dados usuais, pode-se usar um tipo de dados especial: CONDITION. São variáveis que só podem ser declaradas internamente a monitores e são acessíveis apenas através de operações especiais: WAIT e SIGNAL.

11 As operações WAIT e SIGNAL colocam os processos à espera (WAIT) de condições que serão sinalizadas (SIGNAL) por outros processos, ou seja um processo aguarda devido estado do monitor estar em situação de exceção Por exemplo, buffer cheio até que outro sinalize através de uma variável CONDITION a possibilidade de continuar sua execução Devido estado do monitor ter sido alterado Por exemplo, um espaço foi liberado no buffer

12 Um SIGNAL sobre uma variável CONDITION vazia (nenhum processo bloqueado) Efeito nulo Sinalização perdida Similar às primitivas block e wakeup de baixo nível (SO) Ou às vars de condição de Posix threads Diferente da sinalização por semáforos Alteram valor do semáforo

13 Questões de sincronização no wait/signal A) Após WAIT, qual o estado da exclusão mútua? É liberada para que outro processo possa entrar no monitor e executar o SIGNAL Entrar ou continuar: ver mais adiante em SIGNAL B) quem é acordado pelo SIGNAL? Preferência por uma fila FIFO na variável CONDITION De qq. modo, somente algum processo que tenha feito WAIT na mesma CONDITION

14 Questões de sincronização no wait/signal C) quem fica com a seção crítica (lock da exclusão mútua) após o SIGNAL? Solução C1: O processo que executa o SIGNAL Evita troca de contexto, mais eficiente Acordado (pode) recebe monitor quando o sinalizador sair Solução C2: O processo acordado Garante um acesso imediato aos dados do monitor, os quais devem estar em um bom estado para o acordado Propiciaria programas mais corretos Sinalizador (pode) recebe monitor quando acordado sair

15 Questões de sincronização no wait/signal C) quem fica com a seção crítica (lock da exclusão mútua) após o SIGNAL? Solução C3: Chamada do SIGNAL deve ser o último comando da procedure Quem faz SIGNAL logo sai do monitor liberando a exclusão mútua Solução mista» não há troca de contexto forçada» Acordado executa imediatamente

16 Questões de sincronização no wait/signal C) quem fica com a seção crítica (lock da exclusão mútua) após o SIGNAL? Geral: Observar que, qualquer que seja a solução, pode haver vários processos não bloqueados por wait esperando a seção crítica» Na fila de entrada do monitor» Dentro do monitor após diversos SIGNAL Quando um processo sai e libera o monitor, o monitor deve escolher um desses Filas FIFO? Prioridade à fila de entrada ou à interna?

17 Monitores Exemplo Abstrato Exemplo de Monitor (esquema, caso abstrato) Monitor <nome> Integer X, Y Condition C, D Procedure P(arg1,..., argp)... Wait(D)... End Procedure Q(arg1,..., argp)... Wait(C)... End

18 Monitores Exemplo Abstrato Procedure R(arg1,..., argp)... Signal(C)... End % Inicialização dos dados do monitor. X:=0 Y:=0 end <nome>;

19 Monitores - Esquema Esquema de um Monitor

20 Monitores técnicas Técnicas de programação Antes de um WAIT ou um SIGNAL Manter as variáveis do monitor em um estado consistente Devido eventual perda do lock do monitor Outra tarefa passa a usar o monitor

21 Monitores técnicas Técnicas de programação Evitar bloqueios perpétuos Obs.: tópico de SOII adiante Por exemplo: Dois processos e dois monitores Processo 1 entra no monitor A Processo 2 entra no monitor B Processo 1 tenta entrar no monitor B e bloqueia Processo 2 tenta entrar no monitor A e bloqueia

22 Monitores técnicas Técnicas de programação Exclusão mútua forte implícita Independe do comportamento dos procedimentos Por exemplo, procedimentos somente de leitura aos dados também bloqueiam outros processos leitores Procedimento que somente lê uma constante: bloqueia e é bloqueado pelos outros procedimentos

23 Monitores leitores e escritores Exemplo com leitores e escritores Um arquivo é compartilhado por diversos processos. Como fazer para controlar o acesso dos processos a esse arquivo sem que sejam executadas escritas e leituras simultâneas? Escreva um monitor para resolver esse problema.

24 Monitores - Exercício Solução Dicas Leituras e escritas propriamente ditas: fora do monitor Procedures do monitor são usadas para permitir condicionalmente a escrita ou a leitura Obs.: solução a seguir exige uma função sobre variável de condição Saber se a fila está vazia ou não

25 Exemplo pseudo-código Monitor Readers_and_writers Integer #_readers initial 0 Boolean active_writer initial false Condition OK_to_read, OK_to_write Procedure Start_Read if active_writer or not empty(ok_to_write) then wait(ok_to_read) #_readers:=#_readers+1 signal(ok_to_read) End

26 Exemplo pseudo-código (continuação) Procedure End_Read #_readers:=#_readers-1 if #_readers=0 then signal(ok_to_write) End Procedure Start_Write if #_readers>0 or active_writer then wait(ok_to_write) active_writer:=true End

27 Exemplo pseudo-código (continuação) Procedure End_Write active_writer:=false if not empty(ok_to_read) then signal(ok_to_read) else signal(ok_to_write) End End Readers_and_Writers

28 Monitores - Conclusão Conclusão Monitores são muito úteis na implementação de programação concorrente Oferecem exclusão mútua e sinalização Exclusão mútua Padrão, sem opções Sinalização Por variáveis de condição e wait/signal Os procedimentos do monitor são reentráveis São considerados de mais alto nível que semáforos

29 Monitores - Conclusão Conclusão Evitam certos tipos de erros básicos pelos programadores como: Valor inicial errado Esquecer de usar o semáforo... Mas não evitam todos os erros como: Usar monitor errado Usar instância errada em caso de OO Usar variável de sinalização errada Esquecer de sinalizar

30 Monitores - Conclusão Conclusão Menos flexíveis que semáforos e locks Por exemplo Não é possível alterar ordem no uso das primitivas lock/unlock (ou P e V) Isto pode ser útil em caso de várias seções críticas

31 Conclusão A reentrância é necessária: visto que apesar de nunca se ter mais de um processo simultaneamente em execução no monitor, pode-se ter os procedimentos sendo executados de forma parcial e intercalada por vários processos Devido à semântica do wait/signal Liberam lock do monitor

32 Conclusão Há diversos estudos sobre as possibilidades de uso dos diferentes mecanismos de sincronização Prova da correção Soluções de problemas similares...

33 Bibliografia Introdução aos Sistemas Operacionais, Simão Sirineo Toscani, Instituto de Informática, UFRGS, 1996 Livros sobre PC do Andrews Em geral, todos os livros de SO onde PC é um tópico importante Tanenbaum, Silberschatz,...

34 Revisão Revisão Qual a relação entre dados e procedimentos nos monitores? Como os monitores resolvem o problema da exclusão mútua? Como os monitores resolvem o problema de sinalização?

35 Revisão Revisão Quem deve ser acordado? Quem fica com a seção crítica ( running no monitor) após a) Um WAIT? B)um SIGNAL? Duas alternativas em SIGNAL: prós e contras? Qual o efeito de um SIGNAL se a fila de bloqueados está vazia? Qual cuidado se deve ter ao fazer um BLOCK ou um SIGNAL?

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