Sem

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Semáforos

• Eduardo Nicola F. Zagari
• Principles of Concurrent and Distributed
  Programming - Ben-Ari

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Tópicos

• Introdução
• Invariâncias
• Exclusão Mútua
• Definições de Semáforos
• O Problema do Produtor Consumidor
• Buffers Infinitos
• Buffers Limitados
• Produtor Consumidor com Semáforos Binários

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Introdução

• Soluções anteriores usam apenas diretivas
  providas pela máquinas.
• Muito baixo nível para ser eficiente e confiável
• Semáforo é uma solução em nível mais alto
• Implementados no sistema operacional

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Introdução

• Semáforo é uma variável inteira não negativa. São
  definidas apenas 2 operações num semáforo S
• P(S) ou Down(S) Se S gt 0 então S S 1, senão
  suspende a execução deste processo.
• V(S) ou Up(S) Se existem processos suspensos
  neste semáforo, acorda um deles, senão S S 1.

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Introdução

• O semáforo tem as seguintes propriedades
• P(S) e V(S) são atômicas
• A todo semáforo deve ser atribuído um valor
  inicial não negativo (semáforos gerais versus
  semáforos binários)
• A operação V(S) deve acordar um dos processos
  suspensos (a definição não especifica qual!)

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Invariâncias

• Um semáforo satisfaz as seguintes invariâncias
• S gt 0
• S S0 V(S) - P(S)

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Exclusão Mútua
S Semaforo 1
task body P1 is begin loop
Regiao_Nao_Critica_1 P(S)
Regiao_Critica_1 V(S) end loop end P1
task body P2 is begin loop
Regiao_Nao_Critica_2 P(S)
Regiao_Critica_2 V(S) end loop end P2
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Exclusão Mútua

• Note que
• A propriedade de exclusão mútua é satisfeita
• O programa não sofre deadlock
• Não há starvation.
• Similar à segunda tentativa do capítulo anterior,
  exceto pela atomicidade do pré e pós-protocolos.
• Difere da instrução Test-and-Set pelo fato de que
  um processo suspenso num semáforo não executa
  instruções checando valor de variáveis provocando
  espera ocupada (busy-waiting).

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Definições de Semáforos

• Semáforo Blocked-set Um processo que faz a
  operação V ( ou Up) acorda um dos processos
  suspensos.
• P(S) Se S gt 0, então S S - 1, senão suspende
  a execução deste processo.
• V(S) Se há processos que estão suspensos neste
  semáforo, acorde um deles, senão S S 1.
• Semáforo Blocked-queue Os processos suspensos
  são mantidos em uma fila FIFO e acordados na
  mesma ordem em que foram suspensos.
• P(S) Se S gt 0, então S S - 1, senão suspende
  a execução deste processo. Ele é adicionado no
  fim da fila FIFO.
• V(S) Se há processos que estão suspensos neste
  semáforo, acorde o processo do início da fila,
  senão S S 1.

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Definições de Semáforos

• Semáforo Busy-wait o valor de S é testado em um
  laço de espera ocupada. O comando if inteiro é
  executado como uma operação atômica, mas pode
  haver intercalamento entre ciclos do laço.
• P(S)
• loop
• if S gt 0 then S S - 1 exit end if
• end loop
• V(S)
• S S 1

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Teoremas

• Teo 1 Para um semáforo busy-wait, é possível
  starvation.
• Considere a seguinte seqüência de execução
• P1 executa P(S) e entra em sua seção crítica
• P2 encontra S 0 e entra no laço
• P1 completa um ciclo inteiro consistindo do
  pós-protocolo, seção não crítica, pré-protocolo e
  entra novamente em sua seção crítica

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Teoremas

• Teo 2 Para um semáforo blocked-queue não é
  possível a ocorrência de starvation.
• Teo 3 Para um semáforo blocked-set, é possível a
  ocorrência de starvation para N gt 3.

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O Problema do Produtor-Consumidor

• Produtores estes processos criam um elemento de
  dados que deve ser enviado para os consumidores.
• Consumidores Ao receber um elemento de dados,
  estes processos realizam algum processamento
• Solução elementar comunicação síncrona
• Solução mais flexível introdução de buffer

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Buffer Infinito
B array(0..infinity) of Integer In_Ptr,
Out_Ptr Integer 0
task body Producer is I Integer begin loop
Produce(I) B(In_Ptr) I In_Ptr
In_Ptr 1 end loop end Producer
task body Consumer is I Integer begin loop
Wait until In_Ptr gt Out_Ptr I B(Out_Ptr)
Out_Ptr Out_Ptr 1 Consume(I) end
loop end Consumer
...
Out_Ptr
In_Ptr
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Buffer Infinito
B array(0..infinity) of Integer In_Ptr,
Out_Ptr Integer 0 Elements Semaphore 0
task body Producer is I Integer begin loop
Produce(I) B(In_Ptr) I In_Ptr
In_Ptr 1 Up(Elements) end loop end
Producer
task body Consumer is I Integer begin loop
Down(Elements) I B(Out_Ptr) Out_Ptr
Out_Ptr 1 Consume(I) end loop end
Consumer
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Buffer Finito

• Buffer circular
• Pool de buffers

...
Out_Ptr
In_Ptr
...
In_Ptr
Out_Ptr
In_Ptr
Pool
Out_Ptr
Producer
Consumer
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Buffer Circular Finito
B array(0..N-1) of Integer In_Ptr, Out_Ptr
Integer 0 Elements Semaphore 0 Spaces
Semaphore N
task body Producer is I Integer begin loop
Produce(I) Down(Spaces) B(In_Ptr) I
In_Ptr (In_Ptr1) mod N Up(Elements)
end loop end Producer
task body Consumer is I Integer begin loop
Down(Elements) I B(Out_Ptr) Out_Ptr
(Out_Ptr1) mod N Up(Spaces) Consume(I)
end loop end Consumer
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Considerações

• O programa nunca remove um elemento de um buffer
  vazio nem insere elementos em um buffer cheio
• O programa nunca provoca deadlock
• Nunca há starvation em nenhum dos processos

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Produtor Consumidor com Semáforos Binários
B array(0..N-1) of Integer In_Ptr, Out_Ptr,
Count Integer 0 S Binary_Semaphore
1 Not_Empty, Not_Full Binary_Semaphore 0
task body Producer is I Integer Local_Count
Integer 0 begin loop Produce(I) if
Local_Count N then Down(Not_Full) end
if B(In_Ptr) I Down(S) Count
Count 1 Local_Count Count Up(S)
if Local_Count 1 then Up(Not_Empty) end
if In_Ptr (In_Ptr1) mod N end loop end
Producer
task body Consumer is I Integer Local_Count
Integer 0 begin loop if Local_Count 0
then Down(Not_Empty) end if I
B(Out_Ptr) Down(S) Count Count - 1
Local_Count Count Up(S) if Local_Count
N-1 then Up(Not_Full) end if Out_Ptr
(Out_Ptr1) mod N Consume(I) end
loop end Consumer
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Apêndice

• Tópico avançado em definição de semáforo...

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Definições de Semáforos

• Semáforo Strongly-fair Se o semáforo faz a
  operação V (ou Up) com freqüência infinita,
  todo processo suspenso completará a instrução do
  semáforo.
• Semáforo Weakly-fair Se o semáforo é mantido em
  um valor maior que zero, todo processo suspenso
  completará a instrução do semáforo.

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Definições de Semáforos

• As definições dos tipos blocked-set,
  blocked-queue e busy-wait dizem respeito à forma
  como os semáforos são implementados. Já os strong
  e weak são definidos em termos de seu
  comportamento abstrato.
• Um semáforo busy-wait é uma implementação de um
  semáforo fraco
• Já o semáforo blocked-queue é um semáforo forte