Introdução Aplicações Concorrentes Especificação de Concorrência em Programas Problemas de Compartilhamento de Recursos Exclusão Mútua Sincronização

Transcrição

1 Sincronização e Comunicação entre Processos Introdução Aplicações Concorrentes Especificação de Concorrência em Programas Problemas de Compartilhamento de Recursos Exclusão Mútua Sincronização Condicional Semáforos Monitores 1

2 Introdução Partes diferentes do código do programa podem executar concorrentemente Aplicação concorrente tem como base a execução cooperativa de múltiplos processos ou threads, que trabalham em uma mesma tarefa na busca de um resultado comum Vantagem melhor desempenho Compartilhamento de recursos pode ocasionar problemas 2

3 Aplicações Concorrentes Sincronização Pr ocesso gravador gravação leitura Pr ocesso leitor dado Buffer Os mecanismos que garantem a comunicação entre processos concorrentes e o acesso a recursos compartilhados são chamados mecanismos de sincronização 3

4 Especificação de Concorrência em Programas Primeira notação para especificar concorrência em um programa foram os comandos FORK e JOIN. PROGRAM A; PROGRAM B;.... FORK B;... JOIN B;.. END.. END. 4

5 Especificação de Concorrência em Programas PARBEGIN início da concorrência PAREND ponto de sincronização Pr ocesso principal PARBEGIN Comando_1; Comando_2;.. Comando_n; PAREND Processo 1 Processo 2 Processo n PARBEGIN COBEGIN PAREND COEND Pr ocesso principal 5

6 Especificação de Concorrência em Programas X := SQRT (1024) + (35.4 * 0.23) - (302 / 7) PROGRAM Expressao; BEGIN VAR X, Temp1, Temp2, Temp3 : REAL; PARBEGIN Temp1 := SQRT (1024); Temp2 := 35.4 * 0.23; Temp3 := 302 / 7; PAREND; X := Temp1 + Temp2 - Temp3; WRITELN ('x = ', X); END. Expressão a ser calculada Comandos executados concorrentemente 6

7 Prob. de Compartilhamento de Recursos Para a compreensão de como a sincronização entre processos concorrentes é fundamental para a confiabilidade dos sistemas multiprogramáveis, são apresentados alguns problemas de compartilhamento de recursos. Compartilhamento de arquivo em disco; Compartilhamento de variável na memória. 7

8 Prob. de Compartilhamento de Recursos Problema 1: Compartilhamento de um arquivo em disco PROGRAM Conta_Corrente;.. READ (Arq_Contas, Reg_Cliente); READLN (Valor_Dep_Ret); Reg_Cliente.Saldo := Reg_Cliente.Saldo + Valor_Dep_Ret; WRITE (Arq_Contas, Reg_Cliente);.. END. 8

9 Prob. de Compartilhamento de Recursos O processo do primeiro funcionário (Caixa 1) lê o registro do cliente e soma ao campo Saldo o valor do lançamento de débito. Antes de gravar o novo saldo no arquivo, o processo do segundo funcionário (Caixa 2) lê o registro do mesmo cliente, que está sendo atualizado, para realizar outro lançamento, desta vez de crédito. Independentemente de qual dos processos atualize primeiro o saldo no arquivo, o dado gravado estará inconsistente. 9

10 Prob. de Compartilhamento de Recursos Problema 2: Compartilhamento de uma variável por dois processos Processo A Processo B X := X + 1; X := X - 1; Processo A Processo B LOAD X,R a LOAD X,R b ADD 1,R a SUB 1,R b STORE R a,x STORE R b,x 10

11 Prob. de Compartilhamento de Recursos Considere que o processo A carregue o valor de X no registrador R a, some 1 e, no momento em que vai armazenar o valor de X, seja interrompido. Nesse instante, o processo B inicia sua execução, carrega o valor de X em R b e subtraia 1. Desta vez, o processo B é interrompido e o processo A volta a ser processado, atribuindo o valor 3 à variável X e concluindo sua execução. Finalmente, o processo B retorna a execução, atribui o valor 1 a X, e sobrepõe o valor anteriormente gravado pelo processo A. 11

12 Exclusão Mútua A solução mais simples para evitar os problemas de compartilhamento apresentados é impedir dois ou mais processos acessem um mesmo recurso simultaneamente. Para isso, enquanto um processo estiver acessando determinado recurso, todos os demais processo que queiram acessá-lo deverão esperar pelo término da utilização do recurso. Essa idéia de exclusividade de acesso é chamada EXCLUSÃO MÚTUA. 12

13 Exclusão Mútua A exclusão mútua deve afetar os processos concorrentes somente quando um deles estiver fazendo acesso ao recurso compartilhado. A parte do código do programa onde é feito o acesso ao recurso compartilhado é denominada região crítica. Os mecanismos que implementam a exclusão mútua utilizam protocolos de acesso à região crítica. 13

14 Exclusão Mútua BEGIN.. Entra_Regiao_Critica; Regiao_Critica; Sai_Regiao_Critica;.. END. Protocolo de Entrada Protocolo de Saída 14

15 Exclusão Mútua Como é possível, então, observar, para garantir a implementação da exclusão mútua os processos envolvidos devem fazer acesso aos recursos de forma sincronizada. Existem 2 situações indesejadas. Espera indefinida (Starvation) é a situação em que um processo nunca consegue executar sua região crítica e, consequentemente, acessar o recurso compartilhado. 15

16 Exclusão Mútua Dependendo da escolha do sistema operacional pode ocorrer este problema. Exemplos: escolha aleatória, prioridades No primeiro como a escolha é randômica; No segundo valores de prioridade -20 a +19 Solução recurso simples e a criação de filas de pedidos de alocação para cada recurso, usando FIFO (First-In/First-Out). 16

17 Exclusão Mútua Outra situação indesejada na implementação da exclusão mútua é aquela em que um processo fora da sua região crítica impede que outros processos entre nas suas próprias regiões críticas. No caso de esta situação ocorrer, um recurso estaria livre, porém alocado a um processo. Diversas soluções foram propostas para garantir a exclusão mútua de processos concorrentes. 17

18 Exclusão Mútua Soluções de Hardware Desabilitação de interrupções Processo mais simples Reabilita as interrupções após deixar a região crítica Como a mudança de contexto de processos só pode ser realizada através de interrupções, o processo que as desabilitou terá acesso garantido. Limitações o processo pode não reabilitar as interrupções, em sistemas com múltiplos processadores (tempo para todos receberem a informação) 18

19 Exclusão Mútua BEGIN.. Desabilita_Interrupcoes; Regiao_Critica; Habilita_Interrupcoes;.. END. 19

20 Exclusão Mútua Soluções de Hardware Instrução Test-and-Set Muitos processadores possuem uma instrução de máquina especial que permite ler uma variável, armazenar seu conteúdo em uma outra área e atribuir um novo valor à mesma variável. Sua característica e ser executada sem interrupção (indivisível). Dessa forma, é garantido que dois processos não manipulem uma variável compartilhada ao mesmo tempo. 20

21 Exclusão Mútua Soluções de Hardware A instrução test-and-set possui o formato a seguir, e quando executada o valor lógico da variável Y é copiado para X, sendo atribuído à variável Y o valor lógico verdadeiro. Test-and-Set (X,Y); O uso de uma instrução especial de máquina oferece algumas vantagens, como a simplicidade de implementação. Já a principal desvantagem é a possibilidade da espera indefinida, pois a seleção do processo para acesso ao recurso é arbitrária. 21

22 Exclusão Mútua Soluções de Software Primeiro algoritmo Segundo algoritmo Terceiro algoritmo Quarto algoritmo Algoritmo de Dekker Algoritmo de Peterson 22

23 Exclusão Mútua Problema Espera ocupada Na espera ocupada, toda vez que um processo não consegue entrar em sua região critica, por já existir outro processo acessando o recurso, o processo permanece em looping, testando uma condição até que lhe seja permitido o acesso. Desta forma, o processo em looping consome tempo do processador. A solução para o problema e colocar o estado em espera. 23

24 Sincronização Condicional É uma situação onde o acesso ao recurso compartilhado exige a sincronização de processos vinculada a uma condição de acesso. Um recurso pode não se encontrar pronto para uso devido a uma condição específica. Exemplo leitura (consumidor) e gravação (produtor) em um mesmo buffer. Ainda temos o problema da espera ocupada. 24

25 Semáforos Mecanismo de sincronização que permite implementar de forma simples, a exclusão mútua e sincronização condicional entre processos. Um semáforo é uma variável inteira, nãonegativa, que só pode ser manipulada por duas instruções que são indivisíveis. UP ou V incrementa uma unidade ao valor do semáforo. Down ou P - decrementa uma unidade ao valor do semáforo. 25

26 Semáforos A maioria das linguagens de programação disponibiliza rotinas para o uso de semáforos Os semáforos podem ser binários (apenas valores 0 e 1) ou contadores (qualquer valor) Exclusão Mútua Utilizando Semáforos Semáforo = 1 nenhum processo está utilizando o recurso Semáforo = 0 recurso está em uso Quando o recurso é liberado, o sistema seleciona um processo na fila de espera associada ao recurso 26

27 Semáforos Processo deseja entrar na região crítica DOWN (S> 0) DOWN (S= 0) UP (S) - processo sai da região crítica Processo acessa a região crítica Libera processo da fila de espera Fila de espera de processos 27

28 Semáforos Sincronização Condicional Utilizando Semáforos Um exemplo desse tipo de sincronização ocorre quando um processo solicita uma operação de E/S. O pedido faz com que o processo execute uma instrução DOWN no semáforo associado ao evento e fique no estado de espera, até que a operação seja completada. Quando a operação termina, a rotina de tratamento da interrupção executa um UP no semáforo, liberando o processo do estado de espera. 28

29 Semáforos Problema dos Filósofos Exemplo clássico de sincronização de processos. Nesse problema, há uma mesa com cinco pratos e cinco garfos, onde os filósofos podem sentar, comer e pensar. Toda vez que um filósofo pára de pensar e desejar comer, é necessário que ele utilize dois garfos, posicionados à sua direita e à sua esquerda. Possíveis soluções: apenas 4 filósofos podem sentar à mesa ao mesmo tempo. um filósofo só pega um garfo se o outro estiver disponível. filósofo ímpar pega garfo à esquerda e depois à direita, filósofo par pega garfo à direita e depois à esquerda. 29

30 Semáforos Problema do Barbeiro Outro exemplo clássico de sincronização de processos. Neste problema, um barbeiro recebe clientes para cortar o cabelo. Na barbearia há uma cadeira de barbeiro e apenas cinco cadeiras para clientes esperarem. Quanto um cliente chega, caso o barbeiro esteja trabalhando, ele senta se houver cadeira vazia ou vai embora se todas as cadeiras estiverem ocupadas. No caso de o barbeiro não ter nenhum cliente para atender, ele senda na cadeira e dorme até que um novo cliente apareça. 30

31 Monitores São mecanismos de sincronização de alto nível que tornam mais simples o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Monitores - mecanismos de sincronização estruturados e implementados pelo compilador. Semáforos - mecanismos de sincronização não-estruturados e implementados pelo desenvolvedor 31

32 Monitores O monitor é formado por procedimentos e variáveis encapsulados dentro de um módulo. Um monitor é definido especificando-se um nome, declarando-se variáveis locais, procedimentos e um código de inicialização. Um processo faz chamada a um dos procedimentos do monitor, caso outro processo já o esteja executando, o processo aguarda a sua vez na fila de entrada. 32

33 Monitores Estrutura do monitor Declaração de variáveis globais Fila de entrada Monitor Procedimentos Pr oc. 1 Pr oc. 2 Pr oc. n Inicialização de variáveis 33

34 Monitores Estrutura do monitor com varáveis de condição Declaração de variáveis globais Fila de entrada Monitor Pr ocedimentos Pr oc. 1 Pr oc. 2 Pr oc. n Condição C1 Condição C2 Condição Cn Inicialização de variáveis Filas de espera 34