Fundamentos de Sistemas Operacionais

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1 Fundamentos de Sistemas Operacionais Aula 6: Monitores, Troca de Mensagens e Deadlock Diego Passos

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3 Mecanismos de Exclusão Mútua Operações atômicas. Protocolos de controle de acesso. Spin-locks. Implementado através de operações atômicas da CPU. Semáforos. Mutex, contadores. Utilização de semáforos para sincronização. Todos mecanismos de controle locais.

4 Monitores

5 Definição Assim como spin-locks e semáforos, monitores são métodos de exclusão mútua. Muito usados em linguagens orientadas a objetos. e.g., Java. Monitores contém um conjunto de funções que manipulam um determinado recurso compartilhado. A exclusão mútua de um monitor se aplica a todas as funções dentro dele. i.e., apenas uma thread ou processo pode acessar qualquer função dentro de um monitor por vez.

6 Monitores: Exemplo monitor class manipulax { int X; void incrementa() { } x = x +1; void decrementa() { } } x = x - 1;

7 Monitores: Variáveis de Condição Mecanismo para sincronização de threads (processos). Suponha que uma thread ganhe acesso ao monitor, mas uma dada condição necessária a sua execução não é verdadeira (ainda). Se outra thread precisar de acesso ao monitor para tornar a condição verdadeira, espera ocupada não é viável. Solução: comandos wait e signal. wait: aguarda que uma determinada condição seja verdadeira. Processo (thread) aguardando fica bloqueado e permite que outros acessem o monitor. signal: avisa que determinada condição agora é verdadeira.

8 Variáveis de Condição: Exemplo monitor class Semaphore { private int s := 0; private Condition IsPositive; public method P() { } if s = 0 then wait IsPositive s := s - 1 public method V() { } } s := s + 1 signal sispositive;

9 Monitores: Desvantagens Monitores são menos flexíveis que semáforos. Monitores "travam" todas as funções. A utilização de semáforos pode aumentar o paralelismo da execução. Variáveis de condição podem levar à quebra da exclusão mútua (se não usadas corretamente). O que fazer no momento em que uma thread (processo) sinaliza uma determinada condição? Há dois processos desbloqueados dentro do monitor.

10 Trocas de Mensagens

11 Sistemas Distribuídos Principal característica: Não compartilham memória. Sem memória compartilhada, não é possível usar mecanismos como o semáforo para sincronização. Também não é possível fazer troca de dados através de escritas em memória. Em sistemas distribuídos, processos se comunicam através de uma rede. Troca de mensagens (pacotes). Funções Send e Receive.

12 Função Send Envia uma mensagem para outro processo. Recebe ao menos dois parâmetros: Endereço do processo (e.g., IP e porta). Pode existir uma caixa postal. A mensagem em si. Em geral, não bloqueante. Remetente não precisa esperar que destinatário receba a mensagem para continuar seu processamento.

13 Função Receive Recebe uma mensagem de outro processo. Recebe ao menos um parâmetro: Buffer para acomodar a mensagem recebida. Pode ter também um parâmetro especificando de quem se espera uma nova mensagem. Mensagens de outros remetentes não serão retornadas. Em geral, é bloqueante. Se não há ainda no sistema uma mensagem, processo fica bloqueado até que o remetente envie a mensagem.

14 Buffers Sistema operacional pode prover buffers de mensagens. Para recepção: Se uma mensagem chega e o processo de destino ainda não chamou a função Receive, SO guarda mensagens no buffer. Para envio: Se ainda há mensagens não enviadas e remetente faz mais uma chamada à função Send, SO guarda mensagens no buffer. SO pode ter políticas para o Buffer. Exemplos: Buffer de transmissão cheio -> Bloquear a função Send. Buffer de recepção cheio -> Avisar ao remetente para pausar o envio de novas mensagens. Buffers geralmente tornam as aplicações mais eficientes. Gerenciamento do SO é mais complexo.

15 Protocolos Redes utilizam protocolos de comunicação. Implementação dos protocolos, em geral, é provida pelo próprio SO. Exemplo: TCP. O Sistema Operacional tem um módulo que implementa o TCP. O processo de E/S consiste em passar os bytes da mensagem para o espaço de endereçamento do módulo TCP. Estes protocolos são responsáveis por realizar a correta transmissão dos dados.

16 Remote Procedure Call (RPC) Método de execução remota de rotinas (procedimentos). Processo local envia parâmetros e pede a execução de uma rotina/função/procedimento localizado em um processo de uma máquina remota. Máquina remota recebe os parâmetros e o nome do procedimento, e executa o código. Resultados são enviados de volta para o processo local.

17 Remote Procedure Call (RPC) (mais) Existem várias implementações diferentes. Vários padrões. Muitas vezes incompatíveis. Base de vários programas, como o NFS (Network File System) usado no UNIX.

18 Deadlock

19 Definição Diz-se que N processos estão em deadlock quando cada um deles está no estado bloqueado à espera de um evento que só pode ser causado por um dos outros N processos. Neste caso, os processos continuarão neste estado, a menos que haja intervenção de uma entidade externa. Deadlocks geralmente são causados por disputas entre processos por recursos compartilhados.

20 Deadlock: Exemplo

21 Deadlock: Exemplos

22 Deadlock: Condições Existem 4 condições necessárias para ocorrência de deadlocks: Exclusão Mútua. Posse e espera. Não-preempção. Espera circular. Se quaisquer dessas condições não forem verdadeiras para ao menos um dos recursos, é impossível a ocorrência de deadlocks.

23 Deadlock: Exclusão Mútua Propriedade de um recurso que diz que dois processos não podem utilizá-lo simultaneamente. Exemplos: Impressora. Variáveis compartilhadas susceptíveis a condição de corrida. Se o recurso pode ser compartilhado, não há espera por ele (processos não ficam bloqueados por este recurso).

24 Deadlock: Posse e Espera Propriedade que diz que um processo aguarda a liberação de um dado recurso após ter recebido acesso a um outro recurso (e sem liberá-lo). Exemplo: Processo executa uma operação P() em um semáforo S1. Em seguida, sem executar a operação V() em S1, o processo executa a operação P() em um semáforo S2. O processo pode ficar bloqueado, esperando a liberação do segundo recurso, enquanto bloqueia outros processos que precisam do primeiro recurso. Sem posse e espera, o processo sempre estará pronto para usar seus recursos, independentemente do que outros processos façam.

25 Deadlock: Não-preempção Propriedade que diz que o uso de um recurso não pode ser interrompido, uma vez que tenha sido iniciado. Exemplo: Impressora. Neste caso, o sistema não pode retomar o recurso de um processo para passar a um outro processo. Se o recurso é preemptível, não pode haver deadlock. Sistema pode "passar" o recurso para outro processo, evitando assim a espera.

26 Deadlock: Espera Circular Propriedade que diz que há um ciclo no grafo de espera por recursos. P1 depende de R1, que está com P2, que depende de R2, que está com P3... que está com P1. Se não há espera circular, ao menos um processo tem todos os recursos de que necessita para continuar executando. E eventualmente liberar recursos necessários a outro processo.

27 Espera Circular: Exemplos

28 Soluções para Deadlock Deadlocks são solucionáveis se qualquer uma das quatro condições forem eliminadas. Existem várias estratégias do ponto de vista do SO: Previnir o deadlock: controlar o atendimento de requisições, verificando se elas são "seguras". Algoritmo do banqueiro. Enumeração de recursos. Detectar e corrigir: periodicamente, o SO verifica a alocação de recursos e o estado dos processos. Um processo é escolhido para ser morto. Ignorar o problema: nada é feito até que o usuário tome uma providência. Algoritmo da avestruz.

29 Soluções para Deadlock (mais) Na prática, maioria dos SOs ignora o problema. Em geral, o problema ocorre com baixa frequência. Não vale a pena sobrecarregar o sistema com rotinas de verificação e tratamento. Efeitos colaterias costumam ser pequenos. Outros tipos de sistemas, como bancos de dados, precisam ser mais cuidadosos. Conflitos são mais frequentes. Transações podem ser perdidas.

30 Revisão

31 Para Lembrar O que são monitores. O que são as operações wait e signal. Quais as desvantagens dos monitores. Por que usar troca de mensagens ao invés de memória compartilhada. RPC: exemplo de sistema de troca de mensagens. O que são deadlocks. Quais as 4 condições necessárias. Possíveis soluções.

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