Capítulo 5 Comunicación y sincronización de procesos · • Un mutex es un mecanismo de...

Sistemas operativos: una visión aplicada

Capítulo 5 Comunicación y sincronización

de procesos

Sistemas operativos: una visión aplicada 1 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

Sistema multiprogramado con un una CPU

Tiempo

Proceso A

Proceso B

Proceso C


Ejecución en un sistema multiprocesador

Tiempo

Proceso B

Proceso A

Proceso C

Proceso D

CPU 1

CPU 2


Problemas clásicos de comunicación y sincronización

• El problema de la sección crítica• El problema del productor-consumidor• El problema de los lectores-escritores• Comunicación cliente-servidor


Ejemplo 1

S1 = 1 +...+ 50

ni = 1nf = 50

ni =51nf = 100

S2 = 51 +....+ 100

Proceso ligeroprincipal

suma_total = S1 + S2


Ejemplo 1

• Calcula la suma de los N primeros números utilizando procesos ligeros.int suma_total = 0;

void suma_parcial(int ni, int nf) {

int j = 0;

int suma_parcial = 0;

for (j = ni; j <= nf; j++)suma_parcial = suma_parcial + j;

suma_total = suma_total + suma_parcial;pthread_exit(0);

}

• Si varios procesos ejecutan concurrentemente este código se puede obtener un resultado incorrecto.

• Solución: secciones críticas


Ejemplo con sección crítica

void suma_parcial(int ni, int nf) {

int j = 0;

int suma_parcial = 0;

for (j = ni; j <= nf; j++)

suma_parcial = suma_parcial + j;

<Entrada en la sección crítica>

suma_total = suma_total + suma_parcial;<Salida de la sección crítica>

pthread_exit(0);

}


Ejemplo 2

void ingresar(char *cuenta, int cantidad) {

i nt saldo, fd;

fd = open(cuenta, O_RDWR);

read(fd, &saldo, sizeof(int));

saldo = saldo + cantidad;

lseek(fd, 0, SEEK_SET);

write(fd, &saldo, sizeof(int));

close(fd);

return;}

• Si dos procesos ejecutan concurrentemente este código se puede perder algún ingreso.

• Solución: secciones críticas


Ejemplo 2 con sección crítica

void ingresar(char *cuenta, int cantidad) {

int saldo, fd;

fd = open(cuenta, O_RDWR);

<Entrada en la sección crítica >

read(fd, &saldo, sizeof(int));

saldo = saldo + cantidad;

lseek(fd, 0, SEEK_SET);

write(fd, &saldo, sizeof(int));

<Salida de la sección crítica >

close(fd);

return;}


Ejemplo 3

Procesador 1 Procesador 2

PID = 500

PID = 501

PID = 501

PID = 500

Lee PID

Escribe PID

Escribe PID

Incrementa yasigna PID

Incrementa yasigna PID

PID = 500

Registro o posición de memoria

PID = 501

PID = 501

Lee PID


Problema del productor-consumidor

ProcesoProductor

ProcesoConsumidor

Mecanismo de comunicación

Flujo de datos


El problema de los lectores-escritores

EscritorLector Lector Escritor Lector

Recurso


Comunicación cliente-servidor

Computador Computador

Procesocliente

S.O.

Petición

Respuesta

Procesoservidor


Contenido

• Procesos concurrentes. • Problemas clásicos de comunicación y sincronización.

• Mecanismos de comunicación y sincronización.

• Paso de mensajes.• Aspectos de implementación• Interbloqueos. • Servicios POSIX• Servicios Win32


Mecanismos de comunicación

• Archivos• Tuberías (pipes, FIFOS)• Variables en memoria compartida • Paso de mensajes


Mecanismos de Sincronización

• Construcciones de los lenguajes concurrentes (procesos ligeros) • Servicios del sistema operativo:

– Señales (asincronismo) – Tuberías (pipes, FIFOS)– Semáforos – Mutex y variables condicionales – Paso de mensajes

• Las operaciones de sincronización deben ser atómicas


Comunicación unidireccional con tuberías

Procesode Usuario

Procesode Usuario

pipe

SO

write read

Flujo de datos


Comunicación bidireccional con tuberías

Procesode Usuario

Procesode Usuario

SO

write write readread

Flujo de datos

Flujo de datos

pipe

pipe


Ejecución de mandatos con tuberías (III)

•Proceso

•STDIN•STDOUT

•pipe(fd) •fork()

•Proceso

•STDIN•STDOUT•fd[0]•fd[1]

•pipe

•redirección

•Proceso hijo


•Proceso


•pipe

•exec

•Proceso hijo

•STDIN

•STDOUT

•Proceso

•STDIN

•STDOUT•pipe

•Proceso hijo

•STDIN

•STDOUT

•Proceso

•ls •wc

•STDIN

•STDOUT•pipe


Semáforos

• Mecanismo de sincronización • Misma máquina • Objeto con un valor entero • Dos operaciones atómicas

– wait– signal


Secciones críticas con semáforos

wait(s); /* entrada en la seccion critica */

< seccion critica >

signal(s); /* salida de la seccion critica */

• El semáforo debe tener valor inicial 1 P0

Valor delsemáforo (s)

wait(s)

signal(s)

signal(s)

signal(s)

wait(s)

desbloquea

desbloquea

wait(s)

1

1

0-1

-2

-1

0

P1 P2

Ejecutando código de la sección crítica

Proceso bloqueado en el semáforo


Productor-consumidor con semáforos(buffer acotado y circular)

Consumidor

Productor


Memoria compartida

• Declaración independiente de variables

Datos

Texto

Proceso A Proceso B

Pila

TextoDatos

PilaSegmento de memoriacompartida

var1

2

var2


Productor-consumidor con memoria compartida

• Productor: – Crea los semáforos (shm_open )– Crea la zona de memoria compartida utilizando un archivo proyectado en

memoria (open ) – Le asigna espacio (ftruncate ) – Proyecta el archivo en su espacio de direcciones (mmap) – Utiliza la zona de memoria compartida – Desproyecta la zona de memoria compartida – Cierra y borra el archivo.

• Consumidor: – Abre los semáforos (shm_open )– Debe esperar a que archivo esté creado para abrirlo (open )– Proyecta el archivo en su espacio de direcciones (mmap) – Utiliza la zona de memoria compartida – Cierra el archivo.


Mutex y variables condicionales

• Un mutex es un mecanismo de sincronización indicado para procesos ligeros.

• Es un semáforo binario con dos operaciones atómicas: – lock(m) Intenta bloquear el mutex, si el mutex ya está

bloqueado el proceso se suspende. – unlock(m) Desbloquea el mutex, si existen procesos

bloqueados en el mutex se desbloquea a uno.


Secciones críticas con mutex

lock(m); /* entrada en la seccion critica */

< seccion critica >

unlock(s); /* salida de la seccion critica */

• La operación unlock debe realizarla el proceso ligero que ejecutólock

Proceso ligero A

lock mutex

Seccióncrítica

Proceso ligero B

lock mutex

unlock mutex obtiene mutex Proceso ligero ejecutando

Proceso ligero bloqueado

Punto de sincronización


Variables condicionales

• Variables de sincronización asociadas a un mutex • Conveniente ejecutarlas entre lock y unlock

• Dos operaciones atómicas: – wait Bloquea al proceso ligero que la ejecuta y le expulsa del mutex– signal Desbloquea a uno o varios procesos suspendidos en la variable

condicional. El proceso que se despierta compite de nuevo por el mutex


Variables condicionales (II)

Proceso ligero B

Proceso ligero A

waitunlock mutex

Adquiere el mutex

Adquiere el mutex

Se compite por el mutex

locklock

unlock

Proceso ligero bloqueado esperando signal

Proceso ligero bloqueado esperando unlock

signal


Uso de mutex y variables condicionales

• Proceso ligero A lock(mutex); /* acceso al recurso */

comprobar las estructuras de datos;

while (recurso ocupado)

wait(condition, mutex);

marcar el recurso como ocupado;

unlock(mutex);

• Proceso ligero B lock(mutex); /* acceso al recurso */

marcar el recurso como libre;

signal(condition, mutex);

unlock(mutex);

• Importante utilizar while


Contenido

• Procesos concurrentes. • Problemas clásicos de comunicación y sincronización. • Mecanismos de comunicación y sincronización.

• Paso de mensajes.• Aspectos de implementación• Interbloqueos. • Servicios POSIX• Servicios Win32


Paso de mensajes• Permite resolver:

– Exclusión mutua – Sincronizar entre un proceso que recibe un mensaje y otro que lo envía – Comunicación de datos entre espacios de memoria diferentes (mismo

computador, diferentes computadores)

• Primitivas básicas: – send(destino, mensaje)envía un mensaje al proceso destino – receive(destino, mensaje)recibe un mensaje del proceso destino

• Múltiples soluciones • Aspectos de diseño

– Tamaño del mensaje– Flujo de datos (unidireccional, bidireccional)– Nombrado

• Directo• Indirecto (puertos, colas)

– Sincronización (síncrono, asíncrono)– Almacenamiento


Uso de colas y puertos

Comunicación con puertosComunicación con colas de mensajes

Proceso cliente Proceso clientesend

mensaje

receive

Cola de mensajes

Proceso cliente Proceso cliente

mensaje

Puertosend


Servidor multithread con colas de mensajes

Proceso cliente

Cola del cliente

Proceso cliente

Cola del cliente

Cola del servidor

Proceso servidor

petición

petición

respuestarespuesta

Creación delthread

Creación delthread

Thread quesirve la petición

Thread quesirve la petición


Contenido

• Procesos concurrentes. • Problemas clásicos de comunicación y sincronización. • Mecanismos de comunicación y sincronización.• Paso de mensajes.

• Aspectos de implementación• Interbloqueos. • Servicios POSIX• Servicios Win32


Implementación de mecanismos de sincronización

• Espera activa:wait(s) {

s = s – 1;while (s < 0)

;

signal(s) {s = s + 1;

• Espera pasivawait(s) {

s = s – 1;if (s < 0)

Bloquear al proceso;

signal(s) {s = s + 1;if (s <= 0)

Desbloquear a un proceso bloqueado en la operación wait;}


Implementación de la espera pasiva

• Operaciones para bloquear a un proceso en un semáforo

(a)

Tabla de procesos

BCP1 BCP7BCP2 BCP8BCP3 BCP9BCP4 BCP10BCP5 BCP11BCP6 BCP12

1 90 56 11 87 0

Cola asociada al semáforo 7

(b)

Tabla de procesos


1 90 56 11 87Bloq.

Bloq. Ejec.EstadoPID

EstadoPID

Bloq. Bloq.0

Cola asociada al semáforo

7 11


Implementación de la espera pasiva

• Operaciones para desbloquear a un proceso bloqueado en un semáforo

(a)

(b)

Tabla de procesos


1 90 56 11 87ListoEstado

PIDBloq. Bloq.

0

Cola asociada al semáforo 11

Tabla de procesos


1 90 56 11 87Bloq.Estado

PIDBloq. Bloq.

0

Cola asociada al semáforo

7 11


Contenido

• Procesos concurrentes. • Problemas clásicos de comunicación y sincronización. • Mecanismos de comunicación y sincronización.• Paso de mensajes.• Aspectos de implementación

• Interbloqueos. • Servicios POSIX• Servicios Win32


Interbloqueos

• Bloqueo permanente de un conjunto de procesos que compiten por los recursos del sistema o se comunican entre sí.

• Ejemplo: Si P y Qcon semáforos con valor inicial 1

P1 P2wait(P) wait(Q)wait(Q) wait(P)

... ...signal(P) signal(Q)signal(Q) siangl(P)


Ejemplo de interbloqueo

Q

P

BA


Interbloqueos II

• Ejemplo: Si C1 y C2 son dos colas de mensajes:

P1 P2receive(P2, M) receive(P1, N)

... ...send(P2, M) send(P1, N)

• Condiciones del interbloqueo: – Exclusión mutua – Retención y espera – No apropiación – Espera circular

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