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

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1 BC1518-Sistemas Operacionais Sincronização de Processos (aula 5 Parte 2) Prof. Marcelo Z. do Nascimento

2 Roteiro Semáforos Monitores Passagem de Mensagem Exemplos em S.O. Problemas clássicos de comunicação entre processos Leituras Sugeridas

3 Semáforos E.W. Dijkstra (1965) sugeriu usar uma variável do tipo inteira para contar o número de sinais de acordar salvos para uso futuro. Um novo tipo de variável denominado Semáforo. Um semáforo poderia conter valor 0 indicando que nenhum sinal de acordar foi salvo ou valor positivo se um ou mais sinais de acordar estivessem pendentes. 3

4 Semáforos Mecanismo de sincronização que permite implementar a exclusão mútua e sincronização condicional (software) Variável inteira, não negativa, manipulada por duas instruções: DOWN e UP ; Garante uma única ação atômica e indivisível. Duas primitivas de chamadas de sistema: down (sleep) e up (wakeup) originalmente: P (teste) - proberen (down) e V (incrementa) - verhogen (up) em holandês. 4

5 Semáforos Problema da exclusão mútua Inicialmente o semáforo -> o valor 1, indicando que nenhum processo está executando sua região crítica. Se o Processo_A executar a instrução Down, faz com que o semáforo seja decrementado de 1 -> passando a ter o valor 0. 5

6 Semáforos Em seguida => Processo_A ganha o acesso a região crítica. O Processo_B também executará a instrução Down, mas como seu valor é igual a 0, ficará aguardando até que o Processo_A execute a instrução Up (volte o valor => para 1). Seja qual for o processo que entre primeiro na região crítica => o problema da exclusão será resolvido. Chamado de semáforo binário (mutex) que permite a exclusão mútua; 6

7 Semáforos Down(Var empty: Int) Begin While empty<=0 Do; (* não faz nada *) empty:=empty-1; End; Garante que, uma vez iniciada uma operação de semáforo, nenhum outro processo pode ter acesso ao semáforo até que a operação tenha terminado ou sido bloqueada. Atomicidade absoluta essencial para resolver o problema de sincronização. 7

8 Semáforos Up(Var empty: Int) Begin empty:= empty +1; end; Se um ou mais processos estiverem dormindo naquele semáforo, incapacitados de terminar uma operação, um deles seria escolhido pelo sistema e seria dado a permissão de terminar o seu down. 8

9 Semáforos Problema: Gerenciamento de recursos em problema Produtor/consumidor: Resolve o problema de perda de sinais enviados; Úteis quando aplicados em problemas de sincronização condicional onde existem processos concorrentes alocando recursos do mesmo tipo. Necessidade de três semáforos: controle do número de lugares preenchido e vazio e um mutex para controle de acesso. 9

10 Semáforos Semáfaros contadores: Full: conta o número de slots no buffer que estão ocupados; iniciado com 0; resolve sincronização; Empty: conta o número de slots no buffer que estão vazios; iniciado com o número total de slots no buffer; resolve sincronização; Semáfaros mutex 10

11 Semáforos Down(Var empty: Int) Begin While empty<=0 Do;(* não faz nada *) empty:=empty-1; End; 11

12 Semáforos Up(Var empty: Int) Begin empty:= empty +1; end; 12

13 Semáforos 13

14 Semáforos Multex em pthreads Há várias funções que podem ser usadas para sincronização dos threads O mecanismo básico usa uma variável mutex, que pode ser travado ou destravada, para proteger a região crítica; Cabe ao programador assegurar que os threads os utilizem corretamente 14

15 Mutexes em pthreads O mutex permite bloquear e desbloquear acesso a região crítica, mas há as variáveis de condição

16 Mutexes em pthreads

17 Mutexes em pthreads (Continua)

18 Mutexes em pthreads (Continuação) libera o uso do libera o uso do bloqueio mutex e espera sinalização em condc

19 Semáforos Problema: Primitiva deve ser encaixada dentro do código de cada processo. Portanto, aqueles que escrevem o código devem lembrar-se de inseri-los. Isso esta sujeito a erros por duas razões: As pessoas se esquecem das coisas; As pessoas podem ignorar a regras para ganhar uma vantagem em desempenho ou violar a segurança Erro de programação pode gerar um deadlock; Suponha que o código seja trocado no processo produtor; 19

20 Semáforos empty.adquire(); mutex.adquire(); full.adquire(); mutex.adquire(); empty.adquire(); mutex.adquire(); enter_item(item); enter_item(item); remove_item(item); mutex.release () ; mutex.release(); mutex.release(); full.release(); full.release(); empty.release(); Se o buffer estiver cheio => o produtor será bloqueado; Assim, a próxima vez que o consumidor tentar acessar o buffer, ele tenta executar um release sobre o mutex, ficando também bloqueado. 20

21 Monitores Primitiva de alto nível; Semáforos exige bastante cuidado, pois qualquer engano pode levar a problemas de sincronização imprevisíveis; Idealizado por Hoare (1974) e Brinch Hansen (1975): Primitiva de alto nível para sincronizar processos implementadas pelo compilador. É um conjunto de procedimentos, variáveis e/ou estruturas de dados agrupados em um único módulo (pacote): Exclusão mútua. 21

22 Monitores Somente um processo pode estar ativo dentro do monitor em um mesmo instante; Outros processos ficam bloqueados até que possam estar ativos no monitor. O monitor possui uma fila (FIFO) de entrada: processos que desejem executar um procedimento do monitor deve aguardam sua vez. Cabe ao compilador implementara exclusão mútua nas entradas do monitor (mutex ou semáforo binário). Compiladores tratam de forma diferente das outras chamadas de procedimento Alguns compiladores implementam a exclusão mútua por meio dos monitores exemplo: Java. 22

23 Monitores 23

24 Monitores Procedimentos para Execução: Chamada a uma rotina do monitor; Instruções iniciais => teste para detectar se um outro processo está ativo dentro do monitor; Se positivo, o processo novo ficará bloqueado até que o outro processo deixe o monitor; Caso contrário, o processo novo entra no monitor; 24

25 Monitores Exclusão mútua não é realizada pelo programador => cria procedimentos no monitor; Comunicação ocorre através de chamadas a seus procedimentos e de seus parâmetros passados; As regiões críticas devem ser definidas como procedimentos no monitor: O compilador se encarregará de garantir a exclusão mútua entre esses procedimentos; 25

26 Monitores Declaração de variáveis globais Fila de entrada Monitor Procedimentos Proc. 1 Proc. 2 Proc. n Condição C1 Condição C2 Condição Cn Inicialização de variáveis Filas de espera 26

27 Monitores Classe Main package monitorjava; public class Main { public static void main(string args[]) { ObjetoBuffer umbuffer = new ObjetoBuffer(); // criacao das threads Produtor umprodutor = new Produtor(umBuffer); Consumidor umconsumidor = new Consumidor(umBuffer); // start threads umprodutor.start(); umconsumidor.start(); 27

28 Monitores Class Objeto public class ObjetoBuffer { private int memoria = -1; private boolean acessivel = true; //variavel de condicao de escrita // metodo de escrita de dados na memoria A palavra synchronized public synchronized void escrevebuffer(int valor) { significa que o método while (!acessivel) { // nao e a vez de escrever será executado se try { puder adquirir o wait(); //suspende a thread monitor do objeto a catch (InterruptedException e) { e.printstacktrace(); quem pertence o método. System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " produzindo o valor: " + valor); this.memoria = valor; acessivel = false; // desabilita a memoria para escrita notify(); // libera a thread que esta ESPERANDO devido a um wait( ) 28

29 Monitores Class Objeto // metodo de leitura de dados na memoria public synchronized int lerbuffer() { while (acessivel) { // nao eh a vez de ler try { wait(); //suspende a thread que chamou este metodo catch (InterruptedException e) { e.printstacktrace(); System.err.println(Thread.currentThread().getName() + " consumindo o valor: " + this.memoria); acessivel = true; // libera buffer para escrita notify(); // libera uma thread que esta ESPERANDO devido a um wait( ) return this.memoria; 29

30 Monitores Class Produtor public class Produtor extends Thread { private ObjetoBuffer o_buffer; public Produtor( ObjetoBuffer dado ) { super( "Produtor" ); o_buffer = dado; // Thread do Produtor escrevera 10 vezes em intervalos de tempo public void run(){ for ( int i = 1; i <= 10; i++ ) { try { // dorme por um tempo aleatorio Thread.sleep( ( int ) ( Math.random() * 3000 ) ); catch( InterruptedException exception ) { System.err.println( exception.tostring() ); // chama metodo do objeto buffer o_buffer.escrevebuffer( i ); System.err.println(getName() + " terminou de produzir"); 30

31 Monitores Class Consumidor public class Consumidor extends Thread { private ObjetoBuffer um_buffer; public Consumidor(ObjetoBuffer dado) { super("consumidor"); um_buffer = dado; //Thread Consumidor lera o buffer 10 vezes em intervalos public void run() { int valor, soma = 0; do { // dorme por um intervalo aleatorio try { Thread.sleep((int) (Math.random() * 3000)); // Tratamento de excecao catch (InterruptedException exception) { System.err.println(exception.toString()); valor = um_buffer.lerbuffer(); soma += valor; while (valor!= 10); System.err.println( getname() + " terminou de consumir. Totalizou: " + soma); 31

32 Monitores - Java Método Wait: O thread libera o lock do objeto O estado da thread é definido como bloqueada O thread é colocada no conjunto de espera do objeto Chamada Notify Apanha um thread qualquer na lista de threads no conjunto de espera; Move um thread do conjunto de espera para o conjunto de entrada Define o estado da thread de bloqueado para executável 32

33 Semáforo - Java final class Semaforo { private int valor; //valor do semaforo; //quantidade de processos bloqueados por semaforo public semaforo (int i) { valor = i ; // construtor synchronized void P() { if ( valor > 0 ) valor--; //se valor > 0, decrementa o valor else { esperando++; //senão, incrementa o numero threads try { wait(); catch (InterruptedException e) { ; //o processo que executou a operacao P é suspenso esperando--; ; //fim do metodo P() 33

34 Semáforo - Java synchronized void V() { //ou UP() if (esperando > 0) //se tem processo na fila de espera notify(); //tira processo da fila de espera else valor++; //senao, incrementa o valor do semaforo //fim da classe Semaforo 34

35 Semáforo - Java public class Produtor extends Thread { private ObjetoBuffer o_buffer; private Semaforo s1,s2; public void run() { for ( int i = 1; i <= 10; i++ ) { try { Thread.sleep( ( int ) ( Math.random() * 3000 ) ); // tratamento de excecao catch( InterruptedException exception ) { System.err.println( exception.tostring() ); //executa o objeto buffer s1.p(); o_buffer.escrevebuffer( i ); s2.v(); System.err.println(getName() + " terminou de produzir"); 35

36 Monitores x Semáforos Limitações de semáforos e monitores: Ambos são boas soluções somente para CPUs com memória compartilhada => não são uma boa solução para aplicações em sistemas distribuídos; Nenhuma das soluções previne troca de informações entre processo que estão em diferentes máquinas; Além disso, monitores dependem de uma linguagem de programação nem todas as linguagens suportam Monitores (JAVA); 36

37 Passagem de Mensagem Ocorre uma troca de mensagens entre processos rodando em máquinas diferentes; Utiliza-se de duas primitivas de chamadas de sistema: send (receptor, mensagem) e receive(transmissor, mensagem). O procedimento send envia para um determinado destino uma mensagem, enquanto que o procedimento receive recebe essa mensagem em uma determinada fonte; 37

38 Passagem de Mensagem Implementada de 2 maneiras: A comunicação direta entre 2 processos exige que, ao enviar ou receber uma mensagem, o processo enderece explicitamente o nome do processo receptor ou transmissor: Só permite a troca de mensagem entre dois processos; Especificação do nome dos processos envolvidos na troca de mensagens => caso de mudança desse nome o código do programa deve ser alterado e recompilado; 38

39 Passagem de Mensagem Processo A Processo B 39

40 Passagem de Mensagem A comunicação indireta entre processos utiliza uma área compartilhada, onde as mensagens podem ser colocadas pelo processo transmissor e retiradas pelo receptor. Buffer conhecido como mailbox ou port definidos no momento da criação Processo A Processo B Mailbox ou Port 40

41 Passagem de Mensagem Problema Produtor/Consumidor: Início consumidor envia uma mensagem de vazio Produtor mais rápido fica bloqueado para enviar mensagem. Consumidor mais rápido todas as mensagens estarão vazias esperando o produtor as preencha # define N 100 void producer (void){ int item; message m; while (TRUE){ item = produce_item(); //espera que uma //mensagem vazia chegue receive(consumer,&m); build_message(&m,item); send(consumer,&m); void consumer (void){ int item, i; message m; //mensagens vazias for(i=0;i<n;i++) send(producer,&m); while (TRUE){ receive(producer,&m); item = extract_item(&m); send(producer,&m); consume_item(item); 41

42 Passagem de Mensagem Bibliotecas de comunicação: MPI e PVM 42

43 Exemplos Windows XP Mascara interrupções para proteger acesso a recurso global em sistema com único processador; Usa spinlocks em sistema multiprocessado; Provê objetos despachantes (mutex, semáforos e eventos) para threads fora do kernel.

44 Exemplos Linux O kernel provê o spinlocks e semáforos para lock no kernel (multiprocessado); Máquinas com apenas um processador esse mecanismo é substituido pela ativação e desativação da preempção do kernel.

45 Problemas clássicos de comunicação entre processos Há um conjunto de problemas que tem sido amplamente discutidos e analisados a partir de vários método de sincronização. Em 1965, Dijkstra formulou e resolveu um problema de sincronização que chamou de problema do jantar dos filósofos Com isso, cada nova primitiva de sincronização criada obriga a demostrar até que ponto essa nova primitiva é eficiente

46 Problemas clássicos de comunicação entre processos Problema do Jantar dos Filósofos Cinco filósofos desejam comer espaguete; No entanto, para poder comer, cada filósofo precisa utilizar dois garfo e não apenas um. Portanto, os filósofos precisam compartilhar o uso do garfo de forma sincronizada. Os filósofos comem e pensam;

47 Problemas clássicos de comunicação entre processos Problemas que devem ser evitados: Deadlock todos os filósofos pegam um garfo ao mesmo tempo; Starvation os filosófos podem ficar indefinidamente pegando os garfos simultaneamente; 47

48 Problemas clássicos de comunicação entre processos 48

49 Problemas clássicos de comunicação entre processos Uma solução para o problema do jantar dos filósofos (parte 1) 49

50 Problemas clássicos de comunicação entre processos Uma solução para o problema do jantar dos filósofos (parte 2) 50

51 Aula 06 - Sumário Primitivas Dormir e Acordar Semáforo Monitores Problemas clássicos de comunicação de processos

52 Leituras Sugeridas Silberschatz, A., Galvin, P. B. Gagne, G. Sistemas Operacionais com Java. 7º edição. Editora Campus, TANENBAUM, A. Sistemas Operacionais Modernos. Rio de Janeiro: Pearson, 3 ed. 2010

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

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