Sincronismo e Comunica

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Sincronismo e Comunicação entre Processos
Profa. Priscila Facciolli
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Conteúdo

• Introdução
• Aplicações Concorrentes
• Problemas no Compartilhamento de Recursos
• Exclusão Mútua
• Soluções de Exclusão Mútua
• Sincronização Condicional
• Semáforos
• Monitores
• Troca de Mensagens
• Deadlock
• Prevenção de Deadlocks
• Detecção e Recuperação
• Gerenciamento Manual de Deadlocks
• Exercícios.

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Introdução

• Com os sistemas multiprogramáveis, é possível que
  partes diferentes do código do programa possam
  ser executadas concorrentemente. É denominada de
  Aplicação Concorrente e baseia-se na execução
  cooperativa de múltiplos processos, que trabalham
  em uma mesma tarefa na busca de um resultado
  comum.
• Estes processos compartilham recursos e isso pode
  ocasionar situações indesejáveis, podendo
  comprometer a execução das aplicações.
• Evitando isso, os Processos Concorrentes possuem
  suas execuções sincronizadas, com o objetivo de
  garantir o processamento correto dos programas.

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Aplicações Concorrentes

• Em uma aplicação concorrente é necessário que
  processos comuniquem-se entre sim através de
  variáveis compartilhadas na Memória Principal ou
  troca de mensagens.
• Nessa situação os processos devem ter sua
  execução sincronizadas pelo SO.
• Os mecanismos que garantes a comunicação entre
  processos concorrentes e o acesso aos recursos
  são chamados de Mecanismos de Sincronização.

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Problemas no Compartilhamento de Recursos

• Problemas podem ocorrer devido a falha de
  Sincronização entre processos concorrentes.
• Exemplo Situação onde dois processos ( A e B)
  executam um comando de atribuição.
• O processo A soma 1 na variável X e o processo
  B diminui 1 da mesma variável que está
  compartilhada. Inicialmente X2.
• Seria razoável que o resultado de X continuasse
  2, porém isso nem sempre será verdade.
• Qualquer situação onde dois ou mais processos
  compartilham um mesmo recurso, deve existir um
  mecanismo de controle para evitar problema
  similar ao exemplo acima e esse controle é
  conhecido como RACE CONDITIONS, ou Condições de
  Corrida.

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Exclusão Mútua

• Impede que dois ou mais processos acessem um
  mesmo recurso simultaneamente.
• Enquanto um processo estiver acessando um
  recurso, os demais que queiram acessá-lo deverão
  esperar pelo término de sua utilização.
• A parte do código do programa onde é feito o
  recurso de compartilhamento é a REGIÃO CRÍTICA.
  Se for possível evitar que dois processos entrem
  em Região Crítica ao mesmo tempo, os problemas de
  compartilhamento estarão evitados.
• Tanto para executar uma instruções na Região
  Crítica quanto para sair dela, executa-se um
  protocolo que garante a Exclusão Mútua da Região
  Crítica do programa.

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Exclusão Mútua

• O acesso sincronizado, além da Exclusão Mútua
  evita duas situações indesejáveis
• STARVATION ou Espera Indefinida É a situação em
  que um processo nunca consegue executar sua
  Região Crítica, acessando o recurso
  compartilhado. Quando o processo é liberado, é o
  SO que seleciona qual processo fará parte do
  recurso.
• O critério de Escolha é baseado pela prioridade
  do processo. A solução é a implementação de uma
  fila FIFO.
• Um processo fora de sua Região Crítica impede que
  outros processos entrem em suas próprias Regiões
  Críticas.
• Isto ocorre ao recurso estar livre mas ainda
  alocado a um processo, impedindo que os demais o
  utilizem.

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Soluções para a Exclusão Mútua

• No Hardware
• Desabilitação de Interrupções
• Faz com que o processo desabilite todas as
  interrupções antes de entrar na Região Crítica e
  as reabilite após deixar a Região Crítica.
• Instruções de Test and Set
• Permite ler uma variável, armazenar seu conteúdo
  em outra área e atribuir um novo valor a mesma
  variável, através de uma única instrução de
  máquina. Com isso torna-se impossível que dois
  processos manipulem uma variável compartilhada ao
  mesmo tempo.

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Sincronização Condicional

• Situação onde o acesso ao recurso compartilhado
  exige a Sincronização de processos vinculada a
  uma condição de acesso.
• Ex. Comunicação entre dois processos através de
  operações de leitura e gravação em buffer, onde
  os processos que geram informações (processos
  produtores) são utilizados por outros processos
  (consumidores).
• Enquanto um processo grava os dados em um buffer,
  o outro lê os dados concorrentemente. Esse
  problema de sincronização é conhecido como
  Produtor / Consumidos ou Buffer Limitado

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Sincronização Condicional
Sincronização e comunicação entre processos
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Semáforo

• É uma variável inteira, não negativa, que só pode
  ser manipulada pro duas instruções DOWN E UP,
  chamadas também de P (Proberen, teste em
  holandês) e V (Verhogen, incremento em holandês).
• São instruções que não podem ser interrompidas e
  são classificadas em
• Binários Chamados de Mutexes (Mutual Exclusion
  Semaphores), só podem assumir valores de O e 1.
• Semáforos Contadores Podem assumir qualquer
  valor inteiro positivo além do O.

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Semáforo

• É uma variável inteira, não negativa, que só pode
  ser manipulada pro duas instruções DOWN E UP,
  chamadas também de P (Proberen, teste em
  holandês) e V (Verhogen, incremento em holandês).
• São instruções que não podem ser interrompidas e
  são classificadas em
• Binários Chamados de Mutexes (Mutual Exclusion
  Semaphores), só podem assumir valores de O e 1.
• Semáforos Contadores Podem assumir qualquer
  valor inteiro positivo além do O.

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Semáforo
Semáforo binário na exclusão mútua
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Monitores

• São implementados pelo compilador, possibilitando
  o desenvolvimento de programas concorrentes com
  chances de menos erros.
• É formado por procedimentos e variáveis
  encapsulados dentro de um módulo, implementando
  de forma automática a Exclusão Mútua entre os
  procedimentos declarados.
• Toda vez que algum processo faz uma chamada a um
  procedimento, o Monitor verifica se já existe
  outro processo executando algum procedimento no
  monitor. Caso exista, o processo ficará
  aguardando a sua vez em uma fila de entrada.
• Encarrega-se de garantir a Exclusão Mútua entre
  os procedimentos definidos.

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Monitores
Estrutura do monitor
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Troca de Mensagens

• Esse tipo de mecanismo de comunicação e
  sincronização de processos, o SO possui um
  subsistema de mensagens onde não há necessidade
  do uso de variáveis compartilhadas. É necessário
  que exista um buffer ou um link de uma rede de
  computadores como canal de comunicação.
• Os processos cooperativos que podem utilizar o
  buffer através de duas rotinas SEND e RECEIVE.
• A rotina SEND envia uma mensagem para o processo
  receptor, enquanto a RECEIVE recebe a mensagem
  enviada por um processo transmissor.
• Com isso exige que os processos envolvidos na
  comunicação tenham suas execuções sincronizadas.

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Troca de Mensagens
Transmissão de mensagem
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Troca de Mensagens

• A Troca de Mensagens pode ser implementada de
  duas maneiras
• COMUNICAÇÃO DIRETA Exige que tanto ao enviar ou
  receber uma mensagem, enderece o nome do processo
  Receptor ou Transmissor. Só permite a troca de
  mensagens entre dois processos.

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Troca de Mensagens

• COMUNICAÇÃO INDIRETA
• Utiliza uma área compartilhada onde as mensagens
  podem ser colocadas pelo processo transmissor e
  retiradas pelo receptor. Esse buffer é conhecido
  como MAILBOX e suas características, como
  identificação e capacidade de armazenamento de
  mensagens, são definidas no momento de criação.
• Nela, vários processos podem estar associados a
  MAILBOX.
• Também possuem suas execuções sincronizadas em
  função do fluxo de mensagens. Um processo não
  pode tratar uma mensagem até que ela tenha sido
  enviada ou receber a mesma mensagem mais de uma
  vez.

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Deadlock

• É a situação onde o processo aguarda pro um
  recurso que nunca estará disponível ou um evento
  que não ocorrerá. É consequencia do
  compartilhamento de recursos entre processos onde
  a Exclusão Mútua é exigida.
• Para que ocorra a situação de Deadlock, quatro
  condições são necessárias simultaneamente
• 1- Exclusão Mútua Cada recurso só pode estar
  alocado a um único processo em um determinado
  instante
• 2- Espera por Recursos Um processo, além dos
  recursos já alocados, ainda aguarda por outros
  recursos
• 3- Não-Preempção Um recurso não pode ser
  liberado de um processo só porque outros
  processos desejam o mesmo recurso
• 4- Espera Circular Um processo pode ter que
  esperar por um recurso alocado a outro processo e
  vice-versa.

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Deadlock
Espera circular
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Prevenção de Deadlocks

• Para que um Deadlock ocorra, todas as quatro
  condições devem ocorrer simultaneamente. Se
  garantirmos que uma delas não ocorra, prevenirmos
  a ocorrência de Deadlocks em um determinado
  sistema.
• Examinaremos as quatro condições separadamente
• 1- Negando a condição Exclusão Mútua
• Essa condição não deve ser negada, pois dois
  processos acessando um recurso simultaneamente
  poderia causar caos no sistema.
• Ex. Dois processos acessando uma impressora ao
  mesmo tempo.
• Utilizando o sistema de spool é solucionada esse
  problema pois um
• único processo de spool acessa a impressora
  diretamente e não acessa outro recurso, com isso
  deadlocks não podem ocorrer, porém nem todos os
  recursos utilizam o spool.

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Prevenção de Deadlocks

• 2- Negando a condição Esperar por Recurso
• Requer que todos os recursos que um processo
  precise devem ser requisitados de uma só vez.
• O sistema deve liberar os recursos segundo uma
  política de tudo ou nada.
• Se todos os recursos que o processo solicitou
  estão disponíveis, então o sistema pode alocá-los
  todos ao mesmo processo de uma vez.
• Caso contrário, ele deverá esperar até que todos
  estejam disponíveis, porém nessa espera, não deve
  deter nenhum recurso. Assim a condição é negada e
  Deadlocks não podem ocorrer.
• Desvantagens
• Desperdício de Recursos O recurso que será
  executado por último fica alocado ao processo
  antes de ser efetivamente utilizado.
• Possibilidade de um processo ficar
  indefinidamente esperando, se outros processos
  estiverem usando os recursos que ele deseja com
  freqüência.

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Prevenção de Deadlocks

• 3- Negando a condição Não Preempção
• Para vários recursos, como uma impressora, não é
  interessante que um processo perca seus dados
  durante seu uso.
• 4- Negando a condição Espera Circular
• 1ª Maneira Estabelecer regra que um processo só
  pode alocar um único recurso em um dado momento.
  Se ele precisa de um 2º recurso, deve liberar o
  primeiro
• 2ª Maneira Todos os recursos devem ser numerados
  em ordem crescente, assim processos podem
  requisitar recursos sempre.

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Detecção e Recuperação

• Alguns sistemas verificam se existe a
  possibilidade de surgir um Deadlock quer
  periodicamente ou caso certos eventos ocorram.
• Caso esse algoritmo de detecção for executado
  muitas vezes, tornará o sistema lento, mas se não
  for executado vezes suficientes, os processos em
  Deadlock e os recursos do sistema ficam
  entrelaçados até que o sistema seja recuperado.
• Surge devido a um Deadlock que impedem de
  executar algum evento que dispare o algoritmo de
  execução.
• Na estratégia do algoritmo de detecção, ele
  primeiramente detecta se ocorre a situação de
  Deadlock e depois recupera, que resulta no
  desbloqueio dos recursos. Essa é a estratégia
  mais utilizada para tratamento de Deadlock.

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Gerenciamento Manual de Deadlock

• Muitos os sistemas atuais deixam para o usuário
  a função de detectar um Deadlock, que através da
  utilização rotineira, o usuário percebe que o
  tempo para que o processo seja executado já foi
  ultrapassado, ficando a critério do usuário achar
  que os processos entraram em Deadlock e com isso
  podem resolver a situação através das ferramentas
  dos sistemas, como por exemplo sua
  reinicialização.

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Exercícios

• Defina o que é uma aplicação concorrente e dê um
  exemplo de sua utilização?
• 2) O que é Exclusão Mútua e como é implementada?
• 3) Explique o que é sincronização condicional e
  dê um exemplo de sua utilização.
• 4) Diferencie Semáforos e Monitores.
• 5) Quais são os tipos possíveis de Semáforos?
• 6) O que é Deadlock, qual a condição para obtê-lo
  e quais as soluções possíveis?
• 7) O que é mecanismo de troca de mensagens e como
  pode ser implementado?
• 8) O que é Região Crítica em um programa?
• 9) Liste uma solução para a Exclusão Mútua
  explicando-a.
• 10) " Independente do mecanismo de comunicação
  adotado, processos que estão trocando mensagens
  devem ter suas execuções sincronizadas".Esta
  afirmação está correta? Justifique