Desenvolvimento de Aplicações Distribuídas

Transcrição

1 Transação e Controle de Concorrência Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais Instituto de Ciências Exatas e Informática DAD (2019/01)

2 Tópicos Apresentação da disciplina Introdução Desafios e características Arquitetura Comunicação Nomeação Controle de tempo e sincronismo Transação e controle de concorrência Segurança Arquitetura Orientada a Serviços (SOA) e WebServices Sistemas de arquivos distribuídos Aplicações móveis Seminários

3 Transação e Controle de Concorrência Introdução Sistemas operacionais Processos Threads Exclusão mútua Abordagens Algoritmos Algoritmo centralizado Algoritmo distribuído Algoritmo Token Ring Transações distribuídas Conceitos e Princípios Controle de concorrência

4 Sistemas Operacionais - Processo Conceito: uma instância de um programa de computador sendo executado. Enquanto o programa é uma sequencia de instruções, um processo é a execução destas instruções. PCB (Bloco de Controle do Processo) Identificador do processo, Estado do processo, Prioridade do processo, Memória, Descritores de arquivos, etc Estados de um processo:

5 Figura: Exemplo de Transação

6 Sistemas Operacionais - Thread Conceito: fluxo de execução. Forma pela qual um processo se divide em uma ou mais tarefas de execução simultânea. Características: Permitem o processamento paralelo (múltiplos clientes, tarefas diferentes) Compartilhamento de recursos: Arquivos, portas de comunicação, memória, ponteiros Cada thread possui uma pilha de execução Não há proteção entre recursos compartilhados Um servidor pode permitir acesso concorrente a processos e threads

7 Sistemas Operacionais - Processos e Threads Concorrência entre processos Concorrência entre threads

8 Sistemas Operacionais - Processos e Threads Threads exigem um maior esforço intelectual e capacidade de programação Threads não possuem os mecanismos de proteção como os processos Muitas aplicações ficam mais simples se estruturadas como uma coleção de threads

9 Exemplo Sistemas Operacionais - Processos e Threads Threads exigem um maior esforço intelectual e capacidade de programação Threads não possuem os mecanismos de proteção como os processos Muitas aplicações ficam mais simples se estruturadas como uma coleção de threads Ex: Processador de Textos que manipula a entrada do usuário, verificação ortográfica, layout do documento Criação de threads envolve menos custo computacional do que criar um novo processo Threads podem compartilhar recursos dentro de um processo

10 Sistemas Operacionais - Threads De forma geral, os pacotes de threads contém operações para: Criar e destruir threads Sincronização de threads Java - Métodos da classe Thread Thread(ThreadGroup group, Runnable target, String name) Cria uma nova thread no estado SUSPENDED, pertencendo para group e identificado como name; a thread executará o método run() de target setpriority(int newpriority), getpriority() Configurar e retornar a prioridade da thread. run() Método que deve ser sobreposto pelo objeto alvo start() Modifica o estado da thread de SUSPENDED para RUNNABLE

11 Sistemas Operacionais - Threads Java - Métodos da classe Thread sleep(int millisecs) Faz com que a thread entre no estado SUSPENDED por um tempo específico destroy() Destrói a thread

12 Sistemas Operacionais - Threads Em determinadas aplicações, o cliente necessita buscar e manipular dados... Se o processo for completamente seqüencial haverá atrasos significativos Concorrência através de threads poderá melhorar o desempenho Exemplo: Web Browsers Após a página html ter sido buscada, threads podem ser ativados para buscar outras partes do documento

13 Exclusão mútua Conceito Mecanismo que garante que dois processos simultâneos não entrem em uma região crítica para acesso a um recurso compartilhado Isto resguarda a integridade do referido recurso e permite a ordenação do acesso Alternativas: Solução baseada em ficha (token) Soluções baseadas em permissões

14 Exclusão mútua - Abordagens Solução baseada em ficha (token) Realizado por passagem de mensagem especial entre os processos Ficha Há apenas uma ficha, quem a possuir, pode acessar o recurso Ao terminar o processamento, o processo devolve a ficha Problemas: perda do token Solução baseada em permissão Para acessar um recurso, o processo deve solicitar permissão aos demais

15 Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo centralizado Um processo é eleito coordenador ou ĺıder Sempre que um processo precisar acessar o recurso, envia mensagem ao coordenador Se nenhum processo estiver acessando o recurso, o coordenador responde permitindo o acesso Caso já exista um processo acessando o recurso, o pedido entra na fila Seção crítica: parte do código dos processos em que é realizado o acesso a algum recurso compartilhado que deve garantir acesso exclusivo

16 Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo centralizado Garante a exclusão mútua Simples de ser implementado, requer apenas 3 mensagens por utilização do recurso (requisição, concessão e liberação) Não gera inanição (processos não esperam para sempre)

17 Problemas Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo centralizado Garante a exclusão mútua Simples de ser implementado, requer apenas 3 mensagens por utilização do recurso (requisição, concessão e liberação) Não gera inanição (processos não esperam para sempre) Queda do coordenador (ponto de falha único) Como identificar um coordenador inativo de uma permissão negada? Gargalo no atendimento do ĺıder em sistemas de grande porte

18 Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo centralizado - Passo a passo do algoritmo Neste algoritmo, um processo do sistema é eleito como o coordenador e coordena as entradas na seção crítica (SC) Cada processo que deseja entrar em uma SC deve antes pedir autorização para o coordenador Se não existe processo acessando a SC, então o coordenador pode imediatamente garantir acesso ao processo que fez a requisição Se mais de um pede acesso à SC, então só um ganha acesso Após término do uso, processo informa coordenador Coordenador pode então liberar SC para outro processo (se existir)

19 Instruções Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo distribuído Quando um processo quer acessar um recurso compartilhado, envia mensagem a todos os demais processos A mensagem possui: nome do recurso, identificação do processo, hora corrente (lógica) Ao receber uma mensagem, um segundo processo responde conforme as situações a seguir: Se não estiver acessando o recurso, responde ok Se já estiver acessando o recurso, simplesmente não responde e coloca o pedido em uma fila Se também quiser acessar o recurso, compara com o pedido enviado. Se a hora do pedido recebido for menor, responde ok, senão, não responde e coloca o pedido na fila

20 Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo distribuído Após receber resposta de todos os outros processos, o processo faz o acesso ao recurso Ao finalizar, encaminha mensagem ok para todos os processos que estão na sua fila e limpa a fila Premissa: as mensagens não se perdem

21 Problemas Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo distribuído Garante a exclusão mútua Não gera inanição e nem deadlocks O número de mensagens requerida por acesso é de 2(n-1), onde n é o numero de processos concorrentes n pontos de falha: se qualquer processo falhar não responderá às requisições, o que será interpretado coo recusa de permissão Solução: mesmo que o receptor esteja acessando ou queira acessar o recurso, envia uma mensagem de recusa O processo que deseja acessar o recurso então se mantem requisitando o recurso até que receba a resposta ou conclua que o processo bloqueante está fora do ar Cada processo deve manter um registro de todos os participantes ou utilizar um esquema de comunicação multicast

22 If Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo Token Ring Cria-se um anel lógico em software no qual cada processo recebe uma posição no anel Quando o anel é inicializado, o processo 0 recebe o token O token é passado do processo k para o processo k+1 por mensagens ponto a ponto Ao receber o token, o processo verifica se precisa acessar o recurso compartilhado Caso necessite, realiza o acesso e na sequencia libera o token para o próximo processo no anel Caso contrário, apenas repassa o token para o próximo processo no anel Não é permitido acessar o recurso novamente antes de conseguir o token novamente

23 Exclusão mútua - Algoritmos Algoritmo Token Ring

24 Exclusão mútua - Algoritmos Comparativo entre algoritmos

25 Transações distribuídas - Conceitos e Princípios Conceito: unidade lógica de processamento composta pela execução de uma sequência de requisições Propriedade de Transações - ACID A - Atomicidade: uma transação é realizada no todo ou em nada C - Consistência: uma transação leva o sistema de um estado consistente a outro estado consistente I - Isolamento: uma transação não interfere em outra transação concorrente D - Durabilidade: Uma vez concluída a transação, as mudanças são duradouras

26 Transações distribuídas - Conceitos e princípios Primitivas típicas de transações

27 Transações distribuídas - Conceitos e princípios Transações aninhadas Transações podem ser subdivididas e executadas de forma aninhada Caso uma das subtransações aborte, todas as anteriores, mesmo que estejam concluídas, devem ser anuladas e restaurado o estado anterior do sistema Mecanismo importante em sistemas distribuídos por permitir a distribuição da transação em máquinas distintas

28 Transações distribuídas - Conceitos e princípios Monitor de Processamento de Transações Middleware ou programa que coordena a execução de transações distribuídas Exemplos: Microsoft DTC, Java Transaction API (JTA), IBM CICS

29 Problemas Transações distribuídas - Controle de Concorrência Atualização Perdida Recuperação inconsistente Estratégias de solução Equivalência Serial Travamento (locks) Impasses (deadlocks)

30 Transações distribuídas - Controle de Concorrência Problema - Atualização perdida Situação: A atualização da transação U é perdida porque é sobrescrita pela transação T

31 Transações distribuídas - Controle de Concorrência Problema - Recuperação inconsistente Situação: A recuperação da transação W é inconsistente porque a transação T ainda irá realizar a segunda parte da transação alterando o valor lido pela transação W

32 Transações distribuídas - Controle de Concorrência Estratégias de Solução - Equivalência Serial Operações conflitantes são aquelas ações cujo efeito combinado depende da ordem em que são executadas A equivalência serial requer que os pares de operações conflitantes sejam executados na mesma ordem em todas as transações Exemplo:

33 Transações distribuídas - Controle de Concorrência Estratégias de Solução - Travamento (locks) Uma transação deve obter um bloqueio compartilhado antes de ler um objeto ou um bloqueio exclusivo antes de escrever no objeto Após liberar um bloqueio, a transação não pode obter novos bloqueios Enquanto uma transação possuir um bloqueio exclusivo sobre um objeto nenhuma outra transação poderá conseguir um bloqueio, seja compartilhado ou exclusivo, sobre o objeto

34 Transações distribuídas - Controle de Concorrência Estratégias de Solução - Travamento (locks)

35 Transações distribuídas - Controle de Concorrência Estratégias de Solução - Impasses (deadlocks) Situação em que duas ou mais transações entram em espera simultaneamente e cada uma aguarda que as demais liberem um bloqueio para que possam continuar.