Sistemas Operacionais II

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1 O problema da seção crítica... Instituto de Informátic ca - UFRGS Sistemas Operacionais II Exclusão mútua (implementação) Aula 04 Seção crítica Porção de código que não pode ser executado por dois ou mais processos simultaneamente sob pena de inconsistência de dados Necessário garantir acesso exclusivo de um processo à seção crítica Se um processo está executando instruções da seção crítica, outro processo é impedido de entrar até que a primeira saia! É o que se denomina de exclusão mútua Resulta em uma serialização no acesso Primitivas para exclusão mútua: enter_em exit_em Enter_EM Seção crítica Exit_EM Sistemas Operacionais II 2 Propriedades para primitivas de exclusão mútua Como implementar? (1) Exclusão mútua Garantir que apenas um processo esteja executando dentro da seção crítica. (2) Progressão Um processo fora da seção crítica não pode impedir outro processo de entrar (3) Espera limitada Um processo não deve ser indefinidamente impedido de entrar na seção crítica (4) Não deve fazer suposições sobre a velocidade relativa da execução dos processos, nem de número de processadores Processo ou thread Primitiva genérica: <await (B); S> Exclusão mútua e sincronização condicional Como implementar o operador exclusão mútua ( < e > )? Sem suporte de hardware, i.é, em software puro! Algoritmo de Dekker! Algoritmo de Peterson! Algoritmo de Lamport Com suporte de hardware! Baseado em habilitação/desabilitação de interrupções! Instruções atômicas (test-and-set e swap) Procedural! Baseado em suporte por compiladores Sistemas Operacionais II 3 Sistemas Operacionais II 4

2 Considerações gerais Abordagem algorítmica Para simplificar a análise: Duas unidades de execução ( threads ou processos) Algoritmos podem ser adaptados para n threads ou processos Máquinas com um processador (e um só core) Programas tem três partes: Instruções críticas (modificam dados compartilhados) Instruções não críticas (não atualizam dados compartilhados) Primitivas para exclusão mútua (enter_em e exit_em) Abordagem algorítmica é caracterizada por: Não empregar serviços providos pelo núcleo (kernel) para bloquear, sinalizar ou retardar a execução de um processo Não empregar instruções especiais do processador Vantagem: É uma solução independente de sistema operacional e de plataforma de execução Desvantagem: Emprego de espera ativa (busy wait) Complexidade de programação Sistemas Operacionais II 5 Sistemas Operacionais II 6 Algoritmo de Dekker (versão I) Algoritmo de Dekker (versão I) Var turn: 0..1 Var turn: 0..1 while (turn = 2) do {nothing; { seção crítica; turn := 2; Parend ; while (turn = 1) do {nothing; { seção crítica; turn := 1; Problemas? while (turn = 2) do {nothing; { seção crítica; turn := 2; Parend ; while (turn = 1) do {nothing; { seção crítica; turn := 1; Problemas? Viola propriedade da progressão Sistemas Operacionais II 7 Sistemas Operacionais II 8

3 Algoritmo de Dekker (versão II) Algoritmo de Dekker (versão II) while (c2 = 0) do {nothing; c i é um flag para indicar se o processo P i está na região crítica. Antes de entrar na SC um processo verifica se a mesma livre, ou seja, se o outro processo não está dentro dela. while (c1 = 0) do {nothing; while (c2 = 0) do {nothing; c i é um flag para indicar se o processo P i está na região crítica. Antes de entrar na SC um processo verifica se a mesma livre, ou seja, se o outro processo não está dentro dela. while (c1 = 0) do {nothing; Viola regra da exclusão mútua Sistemas Operacionais II 9 Sistemas Operacionais II 10 Algoritmo de Dekker (versão II alternativa 2) Algoritmo de Dekker (versão II tentativa 2) c1 = 0 while (c2 = 0) do {nothing; c2 = 0 while hl (c1 = 0) do {nothing; c1 = 0 while (c2 = 0) do {nothing; c2 = 0 while hl (c1 = 0) do {nothing; Esperarão por uma situação que nunca ocorrerá Sistemas Operacionais II 11 Sistemas Operacionais II 12

4 Algoritmo de Dekker (versão II tentativa 3) Algoritmo de Dekker (versão II tentativa 3) c1 = 0 while (c2 = 0) do { timewait(rand); c1 =0; end. c2 = 0 while (c1 = 0) do { timewait(rand); c2 =0; c1 = 2; c1 = 0 while (c2 = 0) do { timewait(rand); c1 =0; end. c2 = 0 while (c1 = 0) do { timewait(rand); c2 =0; Um processo pode sempre dar a preferência para o outro e nenhum dos dois ingressar na SC. Sistemas Operacionais II 13 Sistemas Operacionais II 14 Var turn: 1..2; c1, c2: 0..1; while (c2 = 0 ) do Algoritmo de Dekker (versão V) if (turn = 2) then { while (turn = 2) do {nothing; turn = 2; while (c1 = 0 ) do if (turn = 1) then { while (turn = 1) do {nothing; Parend. Sistemas Operacionais II 15 Var turn: 1..2; c1, c2: 0..1; while (c2 = 0 ) do if (turn = 2) then { Algoritmo de Dekker (versão V) while (turn = 2) do {nothing; turn = 2; Parend. while (c1 = 0 ) do if (turn = 1) then { while (turn = 1) do {nothing; Desta vez não... Está correto!! Mas façam para n processos... Sistemas Operacionais II 16

5 Algoritmo de Peterson Passando para n processos Var flag: array[0..1] of boolean; turn:0..1; flag[0] = false; flag[1] = false; flag[0] = true; while flag[1] and turn = 1 do {nothing; flag[0] = false; Parend. flag[0] = true; turn = 0; while flag[0] and turn = 0 do {nothing; flag[1] = false; Também está correto... Mas façam para n processos... Sistemas Operacionais II 17 Algoritmo de Dijkstra (1965) Possibilidade de adiamento indefinido Algoritmo de Knuth (1965) Resolvia adiamento indefinido, mas permite longos atrasos Algoritmo de Eisenberg e McGuire (1972) Entrada na seção crítica no máximo após n-1 tentativast ti Algoritmo de Peterson (1981) Generalização do de duas unidades de execução Algoritmo de Lamport (1974) Desenvolvido para sistemas distribuídos Algoritmo de Block e Woo (1990) Sistemas Operacionais II 18 Algoritmo da Padaria (Lamport, 1974) const n; Var choosing = array[0..n-1] of boolean; number = array[0..n1] of integer; for j=0 to n-1 do { choosing[i]=false; number[j]=0 Process Pi: Sistemas Operacionais II Tie break (relação precedência) (number[j], j) < number[i], i) number[j] < number [i] or number[j] = number [i] and j < i choosing[i]=true; number[i] = max(number[0]...number[n-1]) + 1; choosing[i]=false; for j=0 to n-1 do { while (choosing[j] do {nothing; while (number[j] and (number[j], j) < (number[i], i)) do {nothing; {Seção crítica number[i] = 0; {Seção não crítica Parend. Problemas com soluções em software Software puro: algoritmos de Dekker, Peterson e Lamport Problemas:! Complexidade! Problema de desempenho! Espera ativa (busy wait)! Falta de clareza o que é lógica de controle de acesso a seção crítica e o que é da lógica do programa Solução Contar com o auxílio de mecanismos de hardware (projeto do processador) Sistemas Operacionais II 20

6 Mecanismos de hardware Desabilitação de interrupções Habilitação e desabilitação de Interrupções Instruções específicas a serem usadas como base para se implementar primitivas de exclusão mútua: Test and set Compare and Store Swap Unidades de execução: thread ou processos (discurso válido para ambos!) Só há chaveamento de unidades de execução com a ocorrência de interrupções de tempo ou de eventos externos (E/S, traps, etc) Problemas: Poder demais para um usuário!! Não funciona em máquinas multiprocessadoras (SMP) pois apenas a CPU que realiza a instrução é afetada! Violação da regra não fazer suposições sobre processadores... CLI STI ;Desliga interrupções Seção crítica ;Ativa interrupções Sistemas Operacionais II 21 Sistemas Operacionais II 22 Variável do tipo lock Instruções especiais Posição de memória especial, compartilhada, que armazena dois estados: Zero: livre 1: ocupado Desvantagem: Race conditions While (lock == 1) ; lock = 1; Lock = 0 ; Seção crítica Solução: Fazer com que o while e a atribuição sejam feitas de forma indivisível Projeto de processadores levam em conta que eles serão usados em ambientes de programação concorrente Instruções assembly para leitura e escrita de posições de memória de forma atômica (indivisível). SWAP: swap (a, b)! Permutação de valores Compare and Store: cas r1, mem! Copia o valor de uma posição de memória para um registrador interno e escreve nela o valor 1 Test and Set Lock: tst r1, mem! Lê o valor de uma posição de memória e coloca nela um valor não zero Sistemas Operacionais II 23 Sistemas Operacionais II 24

7 Primitivas lock e unlock Problemas com a solução lock/unlock Instruções especiais podem ser usadas para implementar primitivas de mais alto nível Solução freqüentemente referenciada como mutex lock (flag); unlock (flag); Seção crítica enter_region: leave_region:... tst register,flag cmp register,0 jnz enter_region ret... mov flag,0 ret Uso correto das primitivas lock e unlock Programador deve estar ciente (para não dizer ser competente! ) do que é necessário liberar o acesso a seção crítica (unlock) Esquecimento gera, normalmente, deadlock Inversão de prioridade Espera ativa (busy wait) Sistemas Operacionais II 25 Sistemas Operacionais II 26 Mas, espera ativa nem sempre é um problema... Problema e solução para a espera ativa Em multiprocessadores (multicore) o busy wait pode ser interessante Há outro processador para liberar o recurso O custo de chaveamento pode não compensar (relação com o tamanho da seção crítica) Porém viola a regra sobre fazer suposições sobre processadores Possibilidade: primitiva trylock Faz busy wait por um período de tempo, se durante esse período o mutex não tiver sido liberado bloqueia (sleep) O programador escolhe entre trylock e lock Problema é dimensionar o período de tempo! Compromisso entre o tamanho da seção crítica, tempo de chaveamento de contexto e tempo estimado de espera Espera ativa ou busy wait (spin lock) Sem sentido, pois para alguém liberar o recurso deve executar, mas para executar tem que usar a CPU! Argumento válido para monoprocessadores (monocore) Solução: é bloquear o processo (thread) Baseado em duas novas primitivas mais elaboradas! sleep: Bloqueia um processo a espera de uma sinalização! wakeup: Sinaliza um processo Sistemas Operacionais II 27 Sistemas Operacionais II 28

8 Problema: Inversão de prioridades Soluções para inversão de prioridade Uma thread de mais baixa prioridade impedir a progressão de uma thread de mais alta prioridade Menos prioritário Mais prioritário lock(m) Troca de processo/thread lock(m) unlock(m) Outros processos/threads Situações indesejadas: Bloqueado ou fazendo busy wait (até quando?) Teto para prioridade (priority ceiling) Aumento da prioridade de uma thread para um valor prédeterminado sempre que ela adquirir um mutex (lock) Teto deve ser maior que a prioridade da maior thread Na liberação (unlock) a thread retorna a sua prioridade original Herança (priority inheritance) A prioridade da thread que detém o mutex é elevada ao nível da thread mais prioritária que solicita o recurso Elevação da prioridade só ocorre se houver risco de conflito Na liberação (unlock) a thread retorna a sua prioridade original Sistemas Operacionais II 29 Sistemas Operacionais II 30 O caso Missão Mars pathfinder: robô sojourner O problema do robô sojourner O problema: A sonda, depois de algum tempo da missão iniciou, de forma não determinística, a fazer resets e se auto-inicializar. A cada reset, os dados coletados e não transmitidos eram perdidos. Thread 1: controle do barramento (alta prioridade) Transferência de dados de controle em um barramento de informações Thread 2: transmissão de dados (média prioridade) Thread 3: coleta de dados meteorológicos (baixa prioridade) Coleta dados meteorológicos e os publica no barramento de informações lock ( bus); Watch dog (hardware) lock ( bus); preempção preempção RESET T 1 T 2 T 3 Sistemas Operacionais II 31 Sistemas Operacionais II 32

9 Leituras adicionais G. R. Andrews Multithreaded, Parallel and Distributed Programming, Addison Wesley, Capítulo 2 (seções 2.1 a 2.5) e capítulo 3 (seções 3.1 a 3.3) Deitel, Deitel e Choffnes, Sistemas Operacionais, 3a edição, Pearson Prentice Hall Capítulo 5 (seções 5.1 a 5.5) Bibliografia complementar! S. Toscani; R. Oliveira; A. Carissimi; Sistemas Operacionais e programação concorrente Editora Sagra-Luzzato, 2003.! Capítulo 4! A. Silberchatz, P. Galvin, G. Gagne; Sistemas Operacionais: conceitos e aplicações. (1 a edição). Campus ! Capítulo 7 Sistemas Operacionais II 33