Arquitetura de Sistemas Operativos

Transcrição

1 Arquitetura de Sistemas Operativos Sistemas Operativos 2011/2012

2 1 Requisitos de uma Secção Crítica

3 Requisitos de uma Secção Crítica Antes de analisarmos as várias soluções para assegurar que um bloco de código seja executado corretamente como secção crítica, é importante compreender quais os requisitos que devem ser cumpridos. Estes requisitos resultam da análise teórica cuidada e da experiência acumulada no seu desenvolvimento ao longo dos anos.

4 Requisitos de uma Secção Crítica Os requisitos são úteis porque nos permitem também avaliar cada uma das soluções tendo em conta o seu cumprimento (ou não): Exclusão mútua (deve ser assegurada) - se uma tarefa está a executar a secção crítica, então nenhuma outra a pode estar a executar;progresso (deve ser assegurado) - se nenhuma tarefa está a executar a secção crítica e existem outras que a pretendem executar, então apenas estas devem participar no protocolo de decisão que seleciona uma delas e esta decisão não deverá prolongar-se indefinidamente, i.e., a exclusão mútua deve ser resolvida entre as tarefas que estão em competição e não afetar as restantes.

5 Requisitos de uma Secção Crítica Míngua ou starvation (não deve ocorrer) - se uma tarefa pretende executar a secção crítica, então alguma vez no futuro irá conseguir o acesso à secção crítica e não ficará para sempre impedida de o fazer; Eficiência (deve ser assegurada) - na ausência de contenção, se uma única tarefa quiser entrar na secção crítica, consegui-lo-á de uma forma eficiente, sem operações adicionais.

6 Requisitos de uma Secção Crítica O primeiro requisito é óbvio e resulta do que se pretende assegurar, a exclusão mútua na execução de uma secção crítica. Tal como vimos anteriormente, a execução de um bloco de código como uma secção crítica implica que as instruções em causa não possam ser executadas por várias tarefas intercaladamente. O segundo requisito, tal como a sua designação indica, garante que pelo menos uma tarefa, das que pretendem executar a secção crítica, vai de facto conseguir fazê-lo, depois de executar um protocolo de decisão cuja duração temporal é limitada.

7 Requisitos de uma Secção Crítica A situação de míngua ocorre quando existem várias tarefas continuamente a tentar aceder à secção crítica, e uma delas nunca consegue ter acesso, sendo sempre ultrapassada pelas restantes. O último requisito zela para que, nos instantes em que apenas uma tarefa pretende executar a secção crítica, o protocolo de decisão seja rápido (uma vez que é óbvio qual a tarefa que irá executar a secção crítica).

8 Requisitos de uma Secção Crítica Para assegurar que um bloco de código é executado como uma secção crítica, respeitando estes requisitos, há três tipos de soluções possíveis que diferem consideravelmente nos recursos que implicam, no desempenho e na sua facilidade de utilização no modelo computacional: algorítmicas: exclusivamente baseadas em programação; baseadas em mecanismos oferecidos pelo hardware; objetos do sistema operativo usando funcionalidades do núcleo em articulação com mecanismos oferecidos pelo hardware.

9 Requisitos de uma Secção Crítica Avaliação - Trabalho Teórico-Prático 10 Escreva um pequeno texto onde resume os slides anteriores. O texto deverá: ser elaborado em grupo; enviado por ao professor no final da aula; e deverá conter entre 50 a 150 palavras.

10 A primeira impressão que um programador terá quando confrontado com o problema da secção crítica é que deve ser possível (e fácil) conceber um algoritmo que resolve o problema como veremos, isso não é verdade Assim, é importante perceber os erros mais comuns que surgem quando, de uma forma menos cuidada, se procura encontrar uma solução para o problema da secção crítica. A solução mais simples consiste na utilização de um trinco que condicione o acesso aos dados partilhados.

11 Este mecanismo funciona do seguinte modo: o trinco é fechado quando se começa a aceder aos dados e libertado no final; qualquer tarefa que pretenda aceder aos dados partilhados deve testar, em primeiro lugar, o estado do trinco e apenas prosseguir se o encontrar aberto - caso o valor do trinco indicar que este está fechado, a tarefa fica em ciclo a testar o seu valor até que este indique que está aberto.

12 As funções do objeto trinco são Fechar e Abrir (lock e unlock, respetivamente). A utilização destas funções seria a que é mostrada no código seguinte para o problema do alocador de memória como se pode ver, o código que deve ser executado em exclusão mútua está enquadrado pelas funções Fechar e Abrir.

13 Alocador de Memória em Exclusão Mútua #define MAX PILHA 100 char* pilha[max PILHA]; int topo = MAX PILHA - 1; char* PedeMem() { Fechar(); ptr = pilha[topo]; topo ; Abrir(); return ptr; } void DevolveMem(char* ptr) { Fechar(); topo ++; pilha[topo] = ptr; Abrir(); }

14 A solução trivial para a realização do objeto trinco consiste numa variável booleana (ou flag) cujo valor indica se o trinco está fechado ou aberto. Consideremos então as funções Fechar e Abrir que se apresentam no código seguinte e que devem enquadrar a região de código que se pretende executar em exclusão mútua. Para simplificar, e sem perda de generalidade, vamos supor, neste e nos exemplos seguintes, que se trata apenas de duas tarefas, T1 e T2, que pretendem executar uma dada secção crítica.

15 Primeira tentativa de solução algorítmica para o problema da secção critica

16 Obviamente, a variável trinco é partilhada pelas tarefas T1 e T2. Assumindo que a tarefa T2 está a executar a secção crítica e que a tarefa T1 pretende também executá-la, esta irá invocar a função Fechar. Enquanto o trinco estiver fechado (valor FECHADO) a tarefa T1 fica a executar a instrução while (trinco == FECHADO).

17 É importante notar que em cada iteração do ciclo while, nenhuma instrução é executada (ter um ciclo sobre um bloco de instruções vazio é uma construção perfeitamente válida em C). Com efeito, trata-se de um ciclo vazio em que se pretende apenas que a tarefa T1 espere que o trinco abra (na realidade gastando inutilmente ciclos de CPU, mas vamos deixar este problema para depois).

18 Quando a tarefa T2 terminar a execução da secção crítica, invocando a função Abrir, atribuindo assim o valor ABERTO à variável trinco, a tarefa T1 sairá do ciclo while e executará a instrução seguinte que fecha de novo o trinco. É fundamental perceber que esta solução para uma secção crítica está errada pois não garante o primeiro requisito - a exclusão mútua - pela mesma razão do exemplo inicial.

19 Com efeito, assumindo uma intercalação na execução das tarefas T1 e T2, podemos facilmente constatar que é possível ambas as tarefas executarem ao mesmo tempo a secção crítica. De facto, quando a tarefa T1 executa a função Fechar, podemos observar que o teste da variável trinco (efectuado no ciclo while) e a atribuição do valor FECHADO (feito na instrução seguinte) não são feitos de forma atómica.

20 Consequentemente, pode ocorrer que a tarefa T1 perca o processador imediatamente após ter saído do ciclo while e antes de executar a instrução trinco = FECHADO. Se em seguida a tarefa T2 executar a função Fechar, esta poderá entrar na secção crítica (pois a variável trinco ainda está com o valor ABERTO). Portanto, esta solução tem o seguinte problema: O primeiro requisito - a exclusão mútua - não é cumprido.

21 Podemos então pensar numa evolução desta solução que, em vez de um trinco, utiliza dois trincos para que as tarefas não estejam a partilhar uma variável. Consequentemente. é necessário um par de funções análogas às Abrir e Fechar, de modo a que cada um atue sobre um dos trincos.

22 A ideia subjacente a esta solução é a seguinte: os trincos trinco t1 e trinco t2 permitem a entrada apenas de uma das tarefas na secção crítica, ficando a outra em ciclo até que o trinco respetivo lhe permita prosseguir. Assim, T1 espera enquanto trinco t2 estiver FECHADO, e T2 espera enquanto trinco t1 estiver FECHADO.

23 Segunda tentativa de solução algorítmica para o problema da secção critica

24 Na realidade, esta solução apresentada na figura anterior também é incorreta. Com efeito, considerando a tarefa T1, podemos observar que o teste do trinco trinco t2 (efetuado no ciclo while) e a atribuição do valor FECHADO ao trinco trinco t1 não é feito de forma atómica.

25 Consequentemente, tal como na solução anterior, pode ocorrer que a tarefa T1 perca o processador imediatamente após ter saído do ciclo e antes de executar a atribuição trinco t1 = FECHADO, e a tarefa T2 executar a função t2 fechar quando obtém o processador. Neste caso, tal como no anterior, a tarefa T2 entrará na secção crítica em simultâneo com T1.

26 Portanto, esta solução tem o mesmo problema da anterior, ou seja: O primeiro requisito - a exclusão mútua - não é cumprido. Note-se que se optarmos por alterar a ordem de execução das instruções em causa (teste e atribuição), tal como se ilustra na figura seguinte, a solução passa a assegurar a exclusão mútua pois a primeira instrução a ser executada é sempre o fecho do trinco.

27 Terceira tentativa de solução algorítmica para o problema da secção critica

28 Contudo, pode conduzir a uma situação em que as tarefas ficam ambas bloqueadas. Com efeito, basta que T1 execute a instrução trinco t1=fechado e perca o processador logo de seguida; quando T2 se executar, esta irá ficar em ciclo na instrução while (trinco t1== FECHADO).

29 O mesmo sucederá à tarefa T1 quando se voltar a executar pois ficará em ciclo na instrução while (trinco t2==fechado). Estamos assim perante uma situação na qual a decisão de entrada na secção crítica se prolonga indefinidamente. Esta situação denomina-se interblocagem.

30 Portanto, esta solução tem o seguinte problema: O segundo requisito - progresso - não é cumprido. Uma vez que a solução antes apresentada não resolve o problema da secção crítica de forma satisfatória, uma outra solução é apresentada na figura seguinte.

31 Quarta tentativa de solução algorítmica para o problema da secção critica

32 O algoritmo baseia-se na existência de um trinco (trinco vez) cujo valor varia de forma a permitir que as tarefas executem a secção crítica alternadamente, uma após a outra; o valor identifica a tarefa que pode executar a secção crítica. O racional desta solução é evitar as duas operações de teste e atribuição que, por não serem atómicas, permitem a intercalação das tarefas.

33 Apesar da exclusão mútua ser assegurada e de não introduzir interblocagem, a solução enferma de um defeito óbvio: as tarefas apenas poderão aceder alternadamente à secção crítica. Se a tarefa T1 tiver necessidade de aceder repetidamente aos dados protegidos pela secção crítica, deve esperar sempre por um acesso da tarefa T2.

34 Assim, devido à necessidade de alternância, caso a tarefa T2 se bloqueie fora da secção crítica, T1 fica impedida de executar a secção crítica no futuro, e vice-versa. Adicionalmente, na ausência de contenção, se a tarefa T1 quiser entrar na secção crítica, não o conseguirá fazer de uma forma eficiente, pois terá de esperar que T2 execute a secção crítica.

35 Portanto, esta solução tem os seguintes problemas: O segundo requisito - progresso - não é cumprido; O quarto requisito - eficiência - não é cumprido.

36 Em conclusão, como se pode ver pelos exemplos antes descritos, uma aproximação menos cuidada ao problema da secção crítica apresenta várias lacunas à luz dos requisitos anteriormente enunciados. O mesmo não se passa com as soluções algorítmicas que serão apresentadas na próxima aula...

37 Avaliação - Trabalho Teórico-Prático 11 Escreva um pequeno texto onde comenta os problemas descritos anteriormente. O texto deverá: ser elaborado em grupo; enviado por ao professor no final da aula; e deverá conter entre 100 a 300 palavras.