Curso de Programação Distribuída e Paralela 29/09/2008. Informática UFRGS. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 1. Pg.

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1 Sistemas Operacionais Professor Cláudio Geyer Instituto de - Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 1 Sistemas Operacionais Professor Cláudio Geyer Instituto de - Pg. 1 1

2 Tópicos ensinados no Curso Programação concorrente: especificação de concorrência, atomicidade; sincronização, exclusão mútua; semáforos e monitores; troca de mensagens: conceitos, exemplo difusão; dead-lock; Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 3 Tópicos ensinados no Curso Sistemas distribuídos: objetivos, conceitos, questões de projeto; modelo cliente/servidor; RPC; estudo de casos : servidor RPC de tempo ordem de eventos, relógio lógico, exclusão mútua; processos : threads, modelos, escalonamento; arquivos distribuídos : semântica e implementação; Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 4 Pg. 2 2

3 Pré-requisitos requisitos para compreensão do conteúdo : Noções de Sistemas Operacionais : Processos, escalonamento de processos, espera ativa. Conhecimento de estruturas básicas de programação : comandos : if, while, for, procedures, functions, etc ; tipos de variáveis : registro, ponteiro, etc ; manipulação de arquivos. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 5 Índice explicativo de cada tópico Conceitos básicos de programação concorrente: SO x PC; PC; Programação Distribuída; Programação Paralela, Exemplos de PC; Vantagens, aplicações, abordagens operacional X axiomática. Expressão da concorrência: Grafos de processos; fork/join; parbegin/end; vetor de processos. Sincronização: Atomicidade definição por software e hardware; exemplo de não-atomicidade; notação do Andrews); Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 6 Pg. 3 3

4 Índice explicativo de cada tópico Sincronização: Exclusão mútua conceitos, requisitos, mutexbegin/end, implementações falsa, com alternância; implementação para 2 processos e por hardware. Semáforos conceitos, usos, implementação com filas e block/wakeup; problema do produtor/consumidor; problema dos leitores/escritores. Monitores conceitos e implementação; exemplo dos filósofos. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 7 Índice explicativo de cada tópico Troca de Mensagens: Introdução a sistemas distribuídos, mapeamento, conceitos básicos; Assíncrona Conceitos e propriedades; Exemplo produtor/consumidor; Difusão com probe. Síncrona Conceitos e propriedades. RPC Conceitos e propriedades; Exemplo do servidor de tempo. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 8 Pg. 4 4

5 Índice explicativo de cada tópico Sistemas Operacionais Distribuídos Conceitos e tipos; Questões de projeto; Modelo cliente/servidor; RPC Sistema de arquivos distribuídos: Threads conceitos e questões de projeto. Deadlock Problemas e soluções; Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 9 Bibliografia recomendada Andrews, G. Silberschatz, A. Tanenbaum, A. S. Tanenbaum, A. S. Couloris, G. Chow, R. Concurrent Programming: Principles and Practive. The Benjamim Cummings, Operating Systems Concepts. Addison-Wesley, 5º edição, Modern Operating Systems. Prentice-Hall, Distributed Operating Systems. Prentice-Hall, Distributed Systems : Concepts and Design. Addison-Wesley, 2º edição, Distributed OS and Algorithms. Addison-Wesley, Apostila do Professor Simão Toscani Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 10 Pg. 5 5

6 Ambiente e Linguagens Concorrentes Unix C ou C++ biblioteca de processos; biblioteca de sockets; biblioteca de threads; biblioteca de variáveis compartilhadas. Java, C#, Objetive C PVM, MPI, ATHAPASCAN SR, Concert C Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 11 Ambiente e Linguagens Concorrentes NT C ou C++ biblioteca POSIX; biblioteca NT; Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 12 Pg. 6 6

7 Sistema Operacional x PC Gerenciar recursos de forma de forma eficiente. Exemplo: através de I/O concorrente (duas ou mais aplicações concorrentes); escalonamento (time-sharing). Dentro de uma única máquina pode existir programação concorrente. Programa seqüencial é um código que especifica a execução seqüencial, uma lista de comandos. Programa concorrente pode ser visto como um programa composto de vários (> 1) programas seqüenciais, executados concorrentemente. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 13 Programação Concorrente Conceito Programas com diversas partes em execução concorrente, em uma ou mais CPUs) Pode haver programação concorrente em Redes, Máquinas Paralelas ou em uma única máquina simples. Exemplos Podemos citar como exemplos de atividades concorrentes, onde mais de um evento está ocorrendo ao mesmo tempo: Aeroporto; Trânsito; Porto; Linha de montagem de uma fábrica. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 14 Pg. 7 7

8 Programação Concorrente Tarefa (task) nome normalmente associado a uma parte concorrente independe do modelo de programação paradigma linguagem construção ou abstração usada para representá-la Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 15 Programação Concorrente Vantagens Expressão mais fácil de certos problemas (concorrentes); exemplos: simulação de sistemas naturais; jogos; Uso eficiente dos recursos de hardware; I/O concorrente a CPU Aumento do desempenho de alguns programas (paralelos); Usar todas as CPUs todo o tempo com trabalho útil. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 16 Pg. 8 8

9 Programação Concorrente Problemas Sincronização: dependência temporal atividades onde uma tarefa necessita da conclusão da anterior não podem ser executadas concorrentemente. acesso concorrente a um recurso compartilhado Escalonamento pode gerar estados (do recurso) inconsistentes recursos: variáveis, arquivos,... garantir um bom uso dos recursos disputa de recursos do sistema, tais como cpu, memória, disco, impressora eventualmente a cargo do programador (e não do SO) Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 17 Programação Concorrente Exemplo de Programa Tendo a equação: (2*A)+((C-D)/3), algumas partes podem ser executadas em paralelo, como segue: 2*A + Início C-D 3 / Fim Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 18 Pg. 9 9

10 Programação Concorrente Aplicações típicas: Núcleo do Sistema Operacional; Núcleo do SGBD (vários clientes acessam o BD); Servidores em geral: multithreaded; Interfaces gráficas; Jogos; Simulação; Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 19 Programação Concorrente Aplicações típicas: Multiagentes; Aplicações para internet; Tolerância a Falhas; Alto desempenho ou programação paralela. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 20 Pg

11 Programação Distribuída Conceito Entende-se por programação distribuída (ou processamento distribuído) como sendo um programa concorrente executado sobre um sistema de hardware com memória distribuída. Um programa distribuído pode acessar a memória de vários computadores e não só de uma única máquina. Via protocolos especiais, por software Deve ser possível criar e gerenciar processos em outros computadores. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 21 Programação Paralela Conceito Programação paralela pode ser vista como um programa concorrente (equivalente a um seqüencial) mas com o objetivo adicional da redução do tempo de resposta. Um programa paralelo pode compartilhar a mesma memória ( memória não distribuída ) e vários processadores. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 22 Pg

12 Principais Aspectos da PC Aspectos Expressão da concorrência Sincronização Comunicação Expressão da concorrência criação e controle das partes concorrentes Sincronização redução da concorrência necessária para produção de resultados corretos Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 23 Principais Aspectos da PC Comunicação troca de informações entre as partes concorrentes necessária para a produção de resultados finais, consistentes também chamada de IPC InterProcess Communication Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 24 Pg

13 Tipos básicos de PC Em função da da arquitetura (hardware) memória compartilhada memória distribuída Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 25 Tipos básicos de PC PC em memória compartilhada sincronização explícita mais complexa exige primitivas e técnicas de sincronização comunicação implícita leitura e escrita de variáveis compartilhadas simples Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 26 Pg

14 Tipos básicos de PC PC em memória distribuída comunicação explícita denominada troca de mensagens mais complexa exige primitivas e técnicas de comunicação sincronização implícita via semântica da comunicação simples, mas nem tanto Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 27 Exercícios com resposta : Desenhe um um grafo grafo como como o visto o anteriormente, visto anteriormente, paralelizando o máximo possível as instruções da equação ((A+B)*C)+(C+D*E). De exemplos de aplicações que necessitam de programação paralela para obterem bons resultados: Um programa pode ser classificado como paralelo e distribuído ao mesmo tempo? Justifique. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 28 Pg

15 Respostas : A+B * Início C D * E + + Fim Computação gráfica ( renderização, reconhecimento de padrões, criação de texturas, etc ) Problemas de otimização linear ( processamento dos ótimos locais em paralelo ) Cálculos vetoriais ( soma, subtração, multiplicação, divisão, concatenação de vetores ) Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 29 Respostas : Sim, uma das opções não exclui a outra. Um programa de rede pode ser distribuído ( memória diferente para cada nó de processamento) e também pode ser paralelo ( tarefas divididas pelas diversas máquinas da rede ) de forma a diminuir o tempo de resposta. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 30 Pg

16 Exercícios complementares : Os microprocessadores Pentium II da Intel são superescalares, ou seja, dividem o processamento de um programa em duas filas de execução, de forma que partes distintas de um programa são executadas em paralelo. Por que os programas executados no Pentium II não são considerados programas paralelos? Por que os programas de simulação são melhor implementados usando concorrência? Programas de navegação pela Internet ( Netscape, Internet Explore ) são concorrentes? Por quê? Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 31 Atividade em Grupo Pesquise as linguagens de programação que você usa e ou as linguagens de programação que estão em foco e descubra se elas possuem suporte para programação concorrente, tais como : Ambiente de programação adequado à concorrência ; Comandos específicos ; Bibliotecas ; Funções e Procedimentos ; Depois discuta com seus colegas o que você descobriu, mostrando as vantagens e desvantagens de cada linguagem. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 32 Pg

17 Conclusões Um programa concorrente é mais difícil de ser implementado, devido à inclusão de sincronização no acesso ao código e as variáveis. Algumas problemas e aplicações são concorrentes por definição e possuem um melhor resultado se implementados concorrentemente. Programação paralela é utilizada quando o principal objetivo é diminuir tempo de resposta. Programação distribuída deve levar em conta o tempo perdido com a comunicação das CPUs. o Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 33 Auto-avaliação : Responda as questões abaixo, sem rever os slides anteriores, para testar seus conhecimentos adquiridos até agora : Quais os pré-requisitos para aprender PC? Qual a linguagem básica para ilustração dos conceitos de PC? Quais ambientes são apropriados para PC? Qual a relação entre SO e PC? O que é um programa concorrente? Quais os 3 principais componentes da PC? Cite 3 exemplos de aplicações concorrentes : Cite 2 vantagens de programação concorrente : Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 34 Pg

18 Auto-avaliação : Por que a a sincronização é importante é? Qual o conceito de programa paralelo e de programa distribuído? O que é uma tarefa? Quais os tipos principais de sincronização? Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 35 Auto-avaliação : Qual o o melhor livro livro para para PC? Qual o melhor para SOD? Qual o livro que contém ambos os tópicos, PC e SOD? Para PC, quais livros são suficientes para a disciplina? Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 36 Pg

19 Auto-avaliação : Quais os os tipos tipos de PC de conforme PC conform hw? Em qual tipo a sincronização é complicada? Em qual tipo a comunicação é complicada? Se você conseguiu responder a estas perguntas, está apto a prosseguir no curso, senão releia os slides. Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 37 Auto-avaliação Principal PC? PD? PP? Aplicações da PC? Vantagens da PC? Desvantagens da PC? Principais componentes da PC? Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 38 Pg

20 Auto-avaliação Principal Tipos de sincronização? Tipos de arquitetura x PC? Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 39 Auto-avaliação Principal Sincronização em memória compartilhada? Complexidade? Importância? Sincronização em memória distribuída? Idem Idem para comunicação? Sistemas Operacionais II (C. Geyer) Sincronização 40 Pg

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