Sincronizaci

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Sincronización de Procesos

• Dr. Pedro Mejía Álvarez
• CINVESTAV-IPN, Seccion de Computacion

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Contenido

• Conceptos básicos
• El problema de la región crítica
• Hardware de sincronización
• Semáforos
• Problemas clásicos de sincronización
• Regiones críticas.
• Monitores
• Transacciones atómicas.

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Conceptos Básicos

• El acceso concurrente a datos compartidos puede
  llevar a inconsistencias en los datos.
• El mantenimiento de la consistencia en los datos
  requiere mecanismos para asegurar la ejecución
  ordenada de procesos cooperativos.
• Los mecanismos de consistencia deben permitir la
  aplicación correcta de los algoritmos de
  planificación sin perjudicar a la predecibilidad.

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Ejemplo Proceso productor-consumidor

• Datos compartidos.
• type item ...
• var buffer array 0..n-1 of
  item
• in, out 0..n-1
• counter0..n
• in0 out 0 counter 0
• Proceso productor. Proceso
  Consumidor.
• repeat
  repeat
• produce un dato en nextp
  while counter 0 do
  no-op
• while counter n do no-op
  nextcbufferout
• bufferin nextp
  outout1 mod n
• in in1 mod n
  countercounter-1
• counter counter 1
  consume the item in
  nextc
• until false
  until false
• Las operaciones counter counter 1 y
  counter counter - 1, deben ser atómicas.

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El problema de la región crítica

• n procesos compiten para utilizar algún dato
  compartido.
• Cada proceso tiene un segmento de código, llamado
  región crítica, en el cual son accesados los
  datos compartidos
• Problema - asegurar que cuando un proceso esta
  ejecutando en su región crítica, ningún otro
  proceso puede entrar en su región crítica.
• Estructura del proceso Pi
• repeat
• sección de entrada
• sección crítica
• sección de salida
• until false

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El problema de la región crítica

• La solución al problema de la región
  crítica debe satisfacer tres requisitos
• Exclusión mutua. Si el proceso Pi esta ejecutando
  en su región crítica, ningún otro proceso puede
  estar ejecutándose en su región crítica.
• Progreso. Si en un momento dado no existe ningún
  proceso y se le concede la región a un proceso,
  la decisión de concederle la región a otro
  proceso que la solicite no puede posponerse
  indefinidamente
• Espera acotada. Debe existir una cota en el
  número de veces que otros procesos se les permite
  entrar en su región crítica, después de que un
  proceso ha hecho una petición para entrar y antes
  de que le sea concedida.

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Algoritmo 1

• Variables compartidas
• var turn (0,1)
• inicialmente turn 0
• si turn i entonces Pi puede entrar en su
  región crítica.
• Proceso Pi
• repeat
• while turn ? i do no-op
• región crítica
• turnj
• últimas instrucciones
• until false
• satisface exclusión mutua pero no progreso.

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Algoritmo 2

• Variables compartidas
• var turn (0,1) flag array0..1 of
  boolean
• inicialmente turn 0, y flag0, flag1
  false
• si turn 1 entonces Pi puede entrar en su
  región crítica.
• Proceso Pi
• repeat
• flagitrue turnj
• while (flagj and turn j) do no-op
• región crítica
• flagiflase
• últimas instrucciones
• until false
• satisface los tres requisitos.

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Hardware de sincronización

• Prueba y modifica el contenido de un word
  automáticamente
• function test-and-set (var targetboolean)boolean
  
• begin
• test-and-settarget
• targettrue
• end
• Algoritmo de exclusión mutua
• Variables compartidas var lockboolean
  lockfalse
• Proceso Pi
• repeat
• while test-and-set(lock) do no-op
• región crítica
• lockfalse
• últimas instrucciones
• until false

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Semáforo Herramienta de sincronización

• Semáforo S
• variable entera S.
• solo puede ser accesada mediante dos operaciones
  atómicas
• wait(S) S S-1
• if S lt 0 then block(S)
• signal(S) S S1
• if S ? 0 then wakeup(S)
• block(S) - provoca la suspensión de el proceso
  que la invoca.
• wakeup(S) - provoca que un proceso bloqueado siga
  con su ejecución.

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Ejemplo de sección crítica con semáforos

• Variables compartidas var mutex semaforo
  mutex 1
• Proceso Pi
• repeat
• wait(mutex)
• sección crítica
• signal(mutex)
• sección siguiente
• until false

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Ejemplo de semáforo para sincronización

• El semaforo flag se inicializa a 0
• P0 P1
• ............ ..........
• A wait(flag)
• signal(flag) B
• Ejecuta B en P1 solo después de que A se ejecuta
  en P0

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Deadlock

• dos o mas procesos están esperando
  indefinidamente por un evento que puede
  dispararse por uno de los procesos en espera.
• S y Q son 2 semáforos inicializados a 1.
• P0 P1
• wait(S) wait(Q)
• wait(Q) wait(S)
• ..........................................
• signal(S) signal(Q)
• signal(Q) signal(S)
• Starvation - bloqueo indefinido un proceso puede
  bloquearse en un
• semáforo y nunca salir de su cola.

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Tipos de semáforos

• Semáforo contador- valor entero que puede variar
  en un dominio sin restricción.
• Semáforo Binario. valor entero que varia de 0 a
  1.
• Implementación de ambos semáforos.
• Función como herramienta para implementar la
  sección crítica, y para sincronizar procesos.

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Problemas clásicos de la sincronización

• Problema del buffer acotado.
• Problema de los escritores lectores.
• Problema de los filósofos comiendo.
• Monitores.

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Interacción entre Tareas

• Raras veces las tareas de un sistema son
  independientes
• unos de otros.
• Frecuentemente, los procesos cooperan entre si,
  o compiten por
• algún recurso.
• Para esto es necesario realizar operaciones de
  comunicación y
• sincronización.
• Dos procesos se comunican cuando hay una
  transferencia de
• información de uno a otro.
• Dos procesos están sincronizados cuando hay
  restricciones
• en el orden en que ejecutan algunas de sus
  acciones.
• En la mayoría de los sistemas de tiempo real las
• tareas interaccionan mediante
• datos comunes (protegidos)
• mensajes

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Interacción entre Tareas de Tiempo Real

• En todos estos casos puede ocurrir que una tarea
• tenga que esperar un suceso de otra menos
• prioritaria.
• Esta situación se denomina bloqueo, y produce
  una
• inversión de prioridad indeseable.
• La inversión de prioridad no se puede eliminar
• completamente, pero es posible limitar su
  duración

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Ejemplo
X
Y
19
Ejemplo Inversión de Prioridad
bloqueo
a1
ax
ay
a2
b1
by
by
b2
c1
d1
dx
dx
d2
0 2 4 6
8 10 12
14 16 18