Disciplina: Sistemas Operacionais - CAFW-UFSM Professor: Roberto Franciscatto

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1 Disciplina: Sistemas Operacionais - CAFW-UFSM Professor: Roberto Franciscatto

2 Introdução Processo cooperativo é aquele que pode afetar outros processos em execução no sistema Ou ser por eles afetado Processos cooperativos tanto podem: Compartilhar diretamente um espaço de endereçamento lógico A primeira opção é alcançada através do uso de processos ou threads O acesso concorrente a dados compartilhados pode resultar em incosistência de dados como compartilhar dados somente através de arquivos

3 Introdução Sabendo-se destes problemas existe um método eficaz para manter a consistência dos dados? Quais são os mecanismos para assegurar a execução ordenada de processos cooperativos que compartilham um espaço de endereçamento lógico?

4 Relembrando processos cooperativos A execução concorrente de processos cooperativos requer mecanimos que permitam aos processos comunicarem-se uns com os outros e sincronizarem suas ações Para processos cooperativos usa-se o problema do produtor-consumidor Um processo produtor gera informação que é consumida por um processo consumidor Exemplo: um programa de impressão produz caracteres que são consumidos pelo driver da impressora

5 Relembrando processos cooperativos

6 Relembrando processos cooperativos Em síntese os processos cooperativos podem comunicar-se em um ambiente de memória compartilhada O esquema exige que estes processos compartilhem Uma cadeia de buffers comum código para implementação do buffer seja escrito pelo programador da aplicação O SO pode fornecer meios para que os processos cooperativos se comuniquem uns com os outros por intermédio de uma facilidade de comunicação interprocessos IPC

7 Relembrando processos cooperativos A IPC oferece um mecanismo que permite aos processos A IPC é particularmente útil em um ambiente distribuido Se comunicarem e sincronizarem suas ações sem compartilharem o mesmo espaço de endereçamento Onde os processos em comunicação podem residir em computadores diferentes conectados a uma rede

8 Problemas de Gestão de Recursos INANIÇÃO (starvation): Emconsequênciadapolíticade escalonamento da CPU um recurso passa alternadamentede um processo P1 para outro processo P2, deixando um terceiro processo P3, bloqueado sem acesso ao recurso.

9 Problemas de Gestão de Recursos BLOQUEIO MÚTUO (deadlock): Quando 2 processos se bloqueiam mutuamente. Exemplo: o processop1 acede aorecursor1, e o processop2 acedeaorecursor2; a uma dada alturap1 necessitade R2 e P2 de R1. INCONSISTÊNCIA DE DADOS: Doisprocessosquetem acessoa umamesmaestruturade dados nãodevempoderatualizá-la semquehajaalgumprocessode sincronização. Exemplo: a interrupçãode um processodurantea atualização de uma estrutura de dados podedeixá-la num estado de inconsistência.

10 O por quê da Sincronização O acessoconcorrentea dados compartilhados pode criar uma situação de inconsistência nestes dados. Condiçãode corrida(race condition): Situação em que vários processosacessame manipulamdados compartilhados de uma forma simultânea, deixandoosdados emum estadode (possível) inconsistência. A manutenção da consistência de dados requer mecanismos que assegurem a execução ordenadae corretados processos cooperantes. Os processostêm, pois, de ser sincronizados para impedir qualquer condição de corrida.

11 Exemplo Considere o código seguinte: P1 Produtor.. Execute a instrução counter ++ P2 Consumidor -Execute a instrução counter -- O valorinicialde counter é 5 Os dois processo executem concorrentemente. Qualo valorfinal?

12 Inconsistência da Atualização de Dados As seguintes instruções devem ser executadas atomicamente: counter++; counter--; Uma operação atômica é instrução executada na totalidade sem interrupção. A instrução counter++ pode ser implementada em linguagem assembly do seguinte modo: register1 = counter register1 = register1 + 1 counter = register1 A instrução counter--pode ser implementada como: register2 = counter register2 = register2 1 counter = register2

13 Inconsistência da Atualização de Dados Se os dois processos tentam atualizar a variável concorrentemente, as suas instruções em linguagem assembly podem entrelaçar-se. Assuma que counter tem inicialmente o valor 5. Um possível entrelaçamento de instruções dos dois processos é: producer: register1 = counter (register1 = 5) producer: register1 = register1 + 1 (register1 = 6) consumer:register2 = counter (register2 = 5) consumer:register2 = register2 1 (register2 = 4) producer: counter = register1 (counter = 6) consumer: counter = register2 (counter = 4) O valor de count pode ser 4 ou 6, mas o valor correto devia ser 5.

14 Problemas clássicos de sincronização 1 -Produtor-Consumidor (bounded-buffer) O processo produtor produz itens e os insere numa fila, outro processo, o consumidor, retire os itens da fila. A fila é uma estrutura de dados manipulada e compartilhada pelos dois processos. 2 - Readers/Writers Problem Dados compartilhados entre vários processos. Existem processos que apenas leêm os dados e outros que apenas escrevem - modificando os dados. Sincronização necessária para que dados a serem lidos não estejam disponíveis para serem alterados

15 P 1 P 2 Problemas clássicos de sincronização 3 Jantar dos Filósofos Compartilha de um número finito de recursos entre um número de processo maior do que o número de recursos P 4 P P 3

16 Requisitos da manutenção da consistência de dados compartilhados No compartilhamento de dados por vários processos, cada processo tem um segmento de código, chamado de SEÇÃO CRÍTICA, no qual os dados compartilhados são acessados. Problema assegurar que, enquanto um processo está a executar na seção crítica, nenhum outro processo é permitido executar na sua seção crítica.

17 Requisitos da manutenção da consistência de dados compartilhados 1. Exclusãomútua. Sóum processo de cada vez pode entrar e executar na secção crítica. 2. Progressão. Um processo a executar numa secção não-crítica não pode impedir outros processos de entrar na secção crítica. 3. Esperalimitada. Um processo que queira entrar numa secção crítica nãodeveficaràespera indefinidamente. Neste ponto não podemos presumir nada sobre velocidade, prioridade ou número de processos

18 Soluções para o problema de inconsistência dos dados A consistência de dados pode ser garantida através de vários mecanismos de sincronização: Software: Mecanismos genéricos de uma linguagem de programação Algoritmos de Dekker e Lamport Hardware: Mecanismos disponibilizados pelo hardware Ex.: desabilitando interrupções Recursos do SO Semáforos, troca de mensagens, etc. Monitores

19 Solução Alternância Estrita Processo 1 while vez == 2; <secao critica> vez = 2; <resto do algoritmo> Processo 2 while vez == 1; <secao critica> vez = 1; <resto do algoritmo> {testa acesso} {autoriza acesso ao outro processo} {testa acesso} {autoriza acesso ao outro processo}

20 Solução Alternância Estrita Análise do algoritmo: Garante a exclusão mútua, mas só é aplicável a 2 processos. Não garante a progressão. Se um dos processos quiser entrar 2 vezes consecutivas na SC, não pode. Só há a garantia da alternância dos processos na execução da secção crítica. Não garante a espera limitada. Se um processo falha o outro ficará permanentemente bloqueado (deadlock). Só funciona se os dois processos forem absolutamente alternativos:

21 Algoritmo de Decker 2 processos Processo 1 Processo 2 Análise do algoritmo: P1QuerEntrar = true; while P2QuerEntrar do if vez == 2 then { P1QuerEntrar = false; while vez == 2 ; P1QuerEntrar = true; }; <executa seccao critica> vez = 2; P1QuerEntrar = false; <executa resto do algoritmo> {P1 está pronto a entrar na SC} {mas dá a vez a P0, se ele precisar} {testa acesso} {autoriza acesso ao outro processo} P2QuerEntrar = true; while P1QuerEntrar do if vez == 1 then { P2QuerEntrar = false; while vez == 1 ; {testa acesso} P2QuerEntrar = true; }; <executa seccao critica> vez = 1; {autoriza acesso ao outro processo} P2QuerEntrar = false; <executa resto do algoritmo> Garanteexclusãomútua, masobrigaa queo númerode processosseja2. Garante a progressão. Não obriga à alternância estrita.

22 Algoritmo de Lamport n processos A cada processo é atribuída uma senha de entrada na seção crítica. Antes de acessar à seção crítica, o processo executa a função maxque lhe atribui uma senha superior a todas as outras. Depois de atribuída a senha, o processo efetua um ciclo para determinar se o seu número de ordem é o menor de todos. Quando o número de ordem (senha) for inferior ao de todos os outros, o processo entra na seção crítica.

23 Algoritmo de Lamport n processos var senha : array[0..n] of integer; escolha : array[0..n] of boolean; function compara(a, b:integer): boolean; begin if (senha[a]<senha[b]) or (senha[a]=senha[b] and a<b) then compara := true else compara := false; end; function max: integer; var maximo, i:integer; begin maximo := 0; for i:=1 to N do if senha[i]>maximo then maximo := senha[i]; max := maximo; end; procedure PROC(i:integer); var j:integer; begin while true do begin escolha[i]:=true; {atribuicao da senha} senha[i]:=max + 1; escolha[i]:=false; for j:=1 to N do {espera ate senha menor} begin while escolha[i] do; while (senha[j]<>0) and compara(j,i) do; end; <executa seccao critica> senha[i]:=0; <executa resto do algoritmo> end end;

24 Inibição de Interrupções Permitir a um processo desligar interrupções (Inibição de interrupções) antes de entrar em uma seção crítica e ligar as interrupções quando sair da seção crítica AssimCPU nãopodetrocar processos Garante que um processo pode utilizar uma variável compartilhadasema interferência de nenhum outro processo Mas desligando interrupções vai dar muito trabalho Assimo computadornãovai poder atender interrupções durante muito tempo. Podeser queum processo mal escritooucom erro implica que o computador nunca mais conseguir tratar de uma interrupção.. Crash Desvantagens e perigos são maiores que as vantagens

25 Semáforos Semáforo: mecanismo de sincronização sem espera ativa. Para evitar a espera ativa, um processo que espera a liberação de um recurso deve ser bloqueado, devendo a razão que o levou a bloquear ficar memorizada. Um semáforo consiste numa variável e numa fila de espera associada a um recurso. Esta fila contém todos os descritores dos processos bloqueados no semáforo

26 Semáforos Bloquear um processo num semáforo significa retirá-lo do estado de execução (running state) e movê-lo para a fila de processos bloqueados (waiting state) do respectivo semáforo. Desbloquearum processo é o mesmo que retirá-lo da fila de processos bloqueados (waiting state) e inseri-lo na fila de processos executáveis (ready state). Gestão da fila de processos bloqueadosde um semáforo: normalmente, FCFS ou prioridades.

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