Concurrencia

Programación ConcurrenteProcesosComunicación entre Procesos (IPC) con espera ocupada.

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Introducción a Procesos

� Todas las computadoras moderas realizan varias cosas al mismo tiempo.

� En cada instante la CPU ejecuta un único programa.

� Existen programas con un único hilo de control.

� Los sistemas de tiempo real son inherentemente concurrentes.

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Programación secuencial vs programación concurrente

Pascal, C, Fortran , Cobol

Secuenciales

único hilo de control

Java, Ada, Posix

Concurrentes

varios hilos de control

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Concurrencia

� Son la notación y las técnicas de programación que expresan el paralelismo potencial.

Un programa concurrente es un conjunto de procesos autónomos que se ejecutan en paralelo.

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Procesos concurrentes

El trabajar con procesos concurrentes añade complejidad a la tarea de programar.

¿Cuáles son entonces los beneficios que aporta la programación concurrente?

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Beneficios de la programaciónconcurrente

� Mejor aprovechamiento de la CPU.� Velocidad de ejecución.� Solución de problemas de naturaleza concurrente:

– Sistemas de control– Tecnologías web– Aplicaciones basadas en interfaces de usuarios– Simulación– SGDB

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Proceso

� Es una instancia de ejecución de un programa.

� Incluye un contador de programa, registros, variables, etc.

� Tiene un ciclo de vida, es decir pasa por distintos estados.

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El modelo de los procesos secuenciales

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El modelo de los procesos secuenciales

� La CPU conmuta de un proceso a otro.

� La velocidad a la cual un proceso realiza su cómputono es uniforme y probablemente ni siquiera es reproducible.

� Los procesos no deben programarse bajo suposiciones preconcebidas sobre su velocidad de ejecución.

� Cuando un proceso tiene requerimientos de tiempo real críticos es necesario tomar medidas especiales para asegurar que efectivamente los sucesos ocurran dentro de ciertoslímites de tiempo.

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El modelo de los procesos secuenciales

� Un proceso tiene un programa, entrada, salida y un estado.

� Un único procesador puede compartirse entre varios procesos utilizando un algoritmo de planificación que determine cuándo hay que detener el trabajo sobre un proceso y pasar a atender a otro diferente.

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Ciclo de vida de un proceso

terminado

nacido

listo

ejecución

No existente

bloqueado

4

2

3

1 1. El proceso se bloquea esperando un dato2. El planificador selecciona otro proceso3. El planificador selecciona este proceso4. El dato está disponible

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Creación de un proceso

1. La inicialización del sistema

2. La ejecución por parte de un proceso (en ejecución) de una llamada al sistema de creación de un nuevo proceso.

3. La petición por parte del usuario de la creación de un nuevo proceso.

4. El inicio de un trabajo en batch.

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Finalización de un proceso

1. Finaliza la ejecución de su cuerpo.2. Ejecución de alguna sentencia de auto

finalización.3. Condición de error sin tratar.4. Aborto por medio de la intervención de otro

proceso.5. Nunca: procesos que se ejecutan en

bloques que no terminan.6. Cuando ya no son necesarios.

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Programa concurrente

Es un conjunto de procesos secuenciales autónomos que se ejecutan en paralelo

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Implementación de un conjunto de procesos

1. Multiplexar sus ejecuciones en un único procesador (multiprogramación).

2. Multiplexar sus ejecuciones en un sistema multiprocesador con acceso a memoria compartida (multiprocesamiento).

3. Multiplexar sus ejecuciones en diversos procesadores que no comparten memoria (sistema distribuido).

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Ejecución de un programa concurrente

Los procesos deben ser creados, distribuidos en los procesadores y finalizados. Estas actividades la realiza el núcleo de ejecución conocido como Run Time System Support (RTSS).

Se encarga de la creación, terminación y multiplexado de los procesos

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Run Time System Support

� Estructura software programada como parte de la aplicación (Modula-2).

� Sistema software generado junto al código objeto del programa por el compilador (Ada y Java).

� Estructura hardware microcodificada en el procesador. Es más eficiente (Occam2).

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¿Quién provee los mecanismos de concurrencia?

� Sistema operativo (SO de Tiempo real)

� Lenguaje (lenguaje que proporciona mecanismos para concurrencia)

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Ejecución de los procesos

� Todos los SO tiene formas de crear procesos.� Cada proceso se ejecuta en su propia

máquina virtual.� Los SO modernos permiten crear hilos

(procesos ligeros) dentro de la misma máquina virtual.

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Ventajas si el lenguaje proporciona los mecanismos de concurrencia

� Programas más legibles.

� Programas más portables.� Si el sistema es embebido puede que no tenga

un SO residente.

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Ventajas si el SO proporciona la concurrencia

� El modelo de concurrencia es el mismo para todos los lenguajes.

� Puede no ser fácil implementar el modelo de concurrencia sobre algún modelo de SO.

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Threads

Hay situaciones en las que es deseable contar con múltiples hilos de control (threads) en el mismo espacio de direcciones ejecutándosequasi-paralelamente, como si fueran procesos separados (excepto que comparten el mismo espacio de direcciones).

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Threads

� Tener múltiples threads ejecutándose en paralelo dentro de un proceso es análogo a tener múltiples procesos ejecutándose en paralelo dentro de un ordenador.

� Los threads comparten el espacio de direcciones (variables globales), archivos abiertos y otros recursos.

� Se los suele llamar procesos ligeros (lightweight process).

� También se utiliza el término de multihilo (multithreaded) para describir la situación en la cual se permite que haya múltiples threads en el mismo proceso.

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Threads

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Threads

• Un thread puede estar en cualquiera de los estados de un proceso tradicional: en ejecución, bloqueado, listo o terminado.

• Un thread en ejecución tiene actualmente la CPU y está activo.

• Un thread bloqueado está esperando a que algún suceso lo desbloquee. Un thread puede bloquearse esperando a que tenga lugar algún suceso externo o a que algún otro thread lo desbloquee.

• Un thread listo está planificado para ejecutarse y lo hace tan pronto como le llega su turno.

• Las transiciones entre los estados de un thread son las mismas que lastransiciones entre los estados de un proceso.

código

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Utilización de Threads

� Tener simplemente múltiples procesos (con sus espacios de direcciones separados) no puede funcionar en algunos casos.

� Son más fáciles de crear y destruir que los procesos. � En numerosos sistemas, la creación de un thread

puede realizarse 100 veces más rápido que la creación de un proceso.

� Los threads proporcionan ganancia en el rendimiento cuando hay una necesidad substancial tanto de cálculo en la CPU como de E/S.

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Ejemplo

� Un procesador de texto.

� La mayoría de los procesadores de texto visualizan en la pantalla el documento que se está creando formateado exactamente como aparecería una vez impreso.

� Todos los saltos de línea y de página aparecen en su posición correcta final.

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Ejemplo

� Supongamos que el usuario está escribiendo un libro. – Desde el punto de vista del autor es más cómodo meter el libro entero

en un único archivo (búsqueda por temas, sustituciones globales, etc)– Alternativamente, puede ponerse cada capítulo en un archivo

separado.

� Se borra una frase de la página 1 de un documento de 800 páginas.

� Se busca la página 600. El procesador de texto se ve forzado a reformatear inmediatamente todo el libro hasta la página 600.

� Espera considerable.

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Ejemplo

� Los threads pueden ayudarnos. � Un thread interactúa con el usuario (atiende

teclado, mouse, scrolls).� Otro realiza el reformateo como una actividad de

fondo (tan pronto como se borra la frase de la página 1).

� Con un poco de suerte, el reformateo se completa antes de que el usuario pida ver la página 600, de forma que en ese momento puede visualizarse instantáneamente.

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Ejemplo

� Muchos procesadores de texto ofrecen la posibilidad de guardar automáticamente todo el archivo en el disco cada pocos minutos.

� El tercer thread puede ocuparse de los backups en el disco sin interferir con los otros dos.

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Ejemplo

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Programación concurrente

Los lenguajes concurrentes tiene elementos para:� Crear procesos � Sincronizar procesos� Comunicar procesos

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Comportamiento de procesos

� Independientes: no se sincronizan ni comunican (son muy raros).

•Cooperativos: se comunican y sincronizan sus actividades.

•Competitivos: compiten por recursos del sistema.

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Sincronizar y Comunicar

� Sincronizar: Satisfacer las restricciones en el enlazado de las acciones de los distintos procesos.

� Comunicar: pasar información de un proceso a otro.

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Modelo de concurrencia

� Estructura: nro de procesos fijo o variable.� Nivel: paralelismo soportado.� Granularidad: muchos o pocos procesos.� Inicialización: paso de parámetros, o comunicación

explícita después de su ejecución� Finalización: término, error, aborto, nunca, suicidio,

no son necesarios� Representación: proceso responsable de la

creación (padre/hijo) y proceso afectado por su finalización (guardián/dependiente).

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Sincronizar y Comunicar

• Variables compartidas: objetos a los que puede acceder más de un proceso• Paso de mensajes: intercambio explícito de datos entre dos procesos mediante el paso de un mensaje mediante alguna forma que brinda el SO o el propio lenguaje.

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Comunicación entre procesos (IPC)

� Cómo un proceso puede pasarle información a otro.

� Cómo asegurar que dos o más procesos no se interfieran mientras realizan tareas críticas.

� Cómo secuenciar correctamente cuando existen dependencias.

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Sincronización y comunicación basada en variables compartidas

Son objetos a los que puede acceder más de un proceso.

La comunicación se logra accediendo a dichas variables cuando sea necesario.

Trae problemas

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Variables compartidas

Considere dos procesos que actualizan una variable compartida, X, mediante la sentencia: X:= X+1

1. Carga el valor de X en algún registro. 2. Incrementa el valor en el registro en 1.3. Almacena el valor del registro de nuevo en X.

Como ninguna de las tres operaciones es indivisible, dos procesos que actualicen la variable simultáneamente generarían un entrelazamiento que podría producir un resultado incorrecto.

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Variables compartidas

� Las situaciones donde los resultados dependen del orden en que se ejecutan los procesos se llaman Condiciones de Competencia.

� Las partes de un proceso que tienen acceso a las variables compartidas han de ejecutarse indivisiblemente unas respecto a las otras.

� Estas partes se denominan Secciones Críticas.� La protección requerida se conoce como

Exclusión Mutua.

código

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� Sección crítica: secuencia de instrucciones que debe ejecutarse sin perder el control, y afecta variables compartidas. Si un proceso está ejecutando código de su sección crítica, ningún otro proceso puede estar ejecutando código de su sección crítica.

Variables compartidas

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El problema de la sección crítica(SC)

� Intenta sistematizar el estudiode la sincronización.

� Sean n procesos que tienen datos compartidos. Cada proceso tiene un segmento de código llamado SC en el cual se accede a los datos compartidos.

� Se pretende que cuando un proceso está en su sección crítica, ningún otro esté en su SC.

Sección de entrada

Sección crítica

Sección de salida

Sección siguientes

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Secciones o regiones críticas

� Para obtener una solución se deben cumplir:1. Ningún par de procesos pueden estar

simultáneamente dentro de sus regiones críticas.2. No debe hacerse ninguna suposición sobre la

velocidad o el número de CPUs.3. Ningún proceso fuera de su región crítica puede

bloquear a otros procesos.4. Ningún proceso deberá tener que esperar

infinitamente para entrar en su región crítica.

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– Exclusión mutua: es el mecanismo que asegura que sólo un proceso está haciendo algo en un instante determinado. Sincronización para proteger una sección crítica. Es necesario si dos procesos comparten variables.

– Sincronización condicionada: necesaria cuando un proceso necesita realizar alguna acción, sólo después que se haya cumplido una condición.

Sincronizaciones necesarias en la programación concurrente

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Exclusión Mutua con Espera Ocupada

� Posibles soluciones:– Inhabilitación de interrupciones– Variables de cerradura– Alternancia estricta– Solución de Peterson

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Inhabilitación de Interrupciones

� Se inhabilitan las interrupciones antes de entrar a la sección crítica. Se rehabilitan al salir.

� La CPU no podrá interrumpir la ejecución por timeout.

� Ventaja: muy simple

� Desventajas:

– Los procesos de usuario no pueden deshabilitar las interrupciones

– Si hay más de un procesador no funciona, pues la inhabilitación afecta a un solo CPU.

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Variables de Cerradura

� Variable compartida inicialmente en 0.

� Antes de entrar a su sección crítica un proceso chequea la bandera:

– Si está 0, el proceso la setea en 1 y entra a su SC.

– Si está en 1, espera hasta que se ponga en 0.

� Desventajas: – Espera ocupada.

– No funciona por condiciones de competencia.

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Alternancia Estricta

� Desventajas:– Ineficiente si un proceso es más lento que el otro.– Viola la condición 3. – Espera ocupada.

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Solución de Peterson