Sincronizacion entre procesosProblemas clasicos

Rodolfo Baader

Departamento de Computacion, FCEyN,Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina

Sistemas Operativos, segundo cuatrimestre de 2012

Rodolfo Baader Problemas clasicos de sincronizacion entre procesos

(2) Siempre los mismos problemas...

En muchas areas de la computacion hay problemas clasicos.Eso significa que aparecen una y otra vez bajo diferentesformas, pero son basicamente el mismo problema.En el caso de sincronizacion entre procesos tambien sucedeque muchos de estos problemas nos suelen inducir a pensar ensoluciones incorrectas.Por eso esta bueno estudiarlos y conocer buenas formas desolucionarlos.Ademas, analizarlos suele aportar una mirada bastanteprofunda sobre problemas fundamentales de la computacion, ya veces, del razonamiento humano.OJO: conocer los problemas clasicos y sus soluciones no debeser una excusa para la pereza. Los problemas concretos tienenparticularidades y contextos que hacen necesario evaluarlos de

manera individual y pensar en cada caso.!Dicho de otra forma, el conocimiento no reemplaza a lainteligencia. Ambos se complementan.

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(3) Los turnos

Problema:

Tenemos una serie de procesos Pi , i {1 . . . N} que se estanejecutando en simultaneo (supongamos que tenemos N CPUs).Cada proceso i tiene una sentencia si .Queremos que en el sistema global se ejecuten s1, s2, . . . , sN.

De que nos disfrazamos?

Podemos utilizar semaforos.

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(4) Los turnos (cont.)

Listing 1: Inicializacionp ro c i n i t ( ){f o r ( i= 0 ; i

(5) Barrera - Rendezvous

Otro problema muy comun es el de rendezvous (punto deencuentro), o barrera de sincronizacion.

Dados Pi = [a(i); b(i)], i {1 . . . N}, asegurarse que los b(i)se ejecuten recien despues de que se ejecutaron todos los a(i).

Es decir, queremos poner una barrera entre los a y los b.

Sin embargo, no hay que restringir de mas: no hay queimponer ningun orden entre los a(i) ni entre los b(i).

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(6) Rendezvous (cont.)

Listing 3: Inicializacionp ro c i n i t ( ){

e n b a r r e r a= 0 ; // Cant . de p r o c s en l a b a r r e r a .mutex= new Semaforo ( 1 ) ; // Permito empezar de i n m e d i a t o .b a r r e r a= new Semaforo ( 0 ) ;

f o r ( i= 0 ; i

(7) Rendezvous (cont.)

Listing 4: Proceso Pip ro c P( i ){

a ( i ) ;

mutex . w a i t ( ) ; // Acceso a v a r . c o m p a r t i d a .e n b a r r e r a ++;b o o l t o d o s e n b a r r e r a= ( e n b a r r e r a==N ) ;mutex . s i g n a l ( ) ;

i f ( t o d o s e n b a r r e r a )// Todos e s t a n l i s t o s para c o n t i n u a r . Que s i g a n .b a r r e r a . s i g n a l ( ) ;

b a r r e r a . w a i t ( ) ;

b ( i ) ;}

Esta solucion no es correcta.

Que esta mal?

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(8) Rendezvous (cont.)

En el ejemplo anterior haba deadlock.!Listing 5: Proceso Pi (correcto)

p ro c P( i ){

a ( i ) ;

mutex . w a i t ( ) ; // Acceso a v a r . c o m p a r t i d a .e n b a r r e r a ++;b o o l t o d o s e n b a r r e r a= ( e n b a r r e r a==N ) ;mutex . s i g n a l ( ) ;

i f ( t o d o s e n b a r r e r a )// Todos e s t a n l i s t o s para c o n t i n u a r . Que s i g a n .b a r r e r a . s i g n a l ( ) ;

b a r r e r a . w a i t ( ) ;b a r r e r a . s i g n a l ( ) ;

b ( i ) ;}

Notar que hay un signal() de mas.

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(9) Rendezvous (cont.)

Otra solucion, si contamos con la primitiva broadcast().

Listing 6: Proceso Pi (correcto)p ro c P( i ){

a ( i ) ;

mutex . w a i t ( ) ; // Acceso a v a r . c o m p a r t i d a .e n b a r r e r a ++;b o o l t o d o s e n b a r r e r a= ( e n b a r r e r a==N ) ;mutex . s i g n a l ( ) ;

i f ( t o d o s e n b a r r e r a )// Todos e s t a n l i s t o s para c o n t i n u a r . Que s i g a n .b a r r e r a . b r o a d c a s t ( ) ;

e l s eb a r r e r a . w a i t ( ) ;

b ( i ) ;}

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(10) Seccion crtica de a k

Siguiente problema. N procesos, solo k ejecutan a la vez laseccion crtica sc(i).

Es facil:

Listing 7: Inicializacionp ro c i n i t ( ){

sem= new Semaforo ( k ) ;

f o r ( i= 0 ; i

(11) Apareamiento

Vamos a presentar una version no clasica de un problemaclasico.

Esta el Crucero de Noel, donde queremos guardar parejas dedistintas especies (no solo una por especie).

Hay una puerta por cada especie.

Los animales forman fila en cada puerta, en dos colas, una porsexo.

Queremos que entren en parejas.

Tarea: programar el codigo de cada proceso P(i, sexo). Pista:usar dos semaforos y la funcion entrar(i).

Tarea adicional: una unica puerta, pero tiene que coincidir laespecie. Ojo con el deadlock!

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(12) Lectores/escritores

Otro problema mas. Se da mucho en bases de datos.

Hay una variable compartida.

Los escritores necesitan acceso exclusivo.

Pero los lectores pueden convivir.

Como podra solucionarse?

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(13) Lectores/escritores (cont.)

Listing 9: Inicializacionp ro c i n i t ( ){

v a r i a b l e c o m p a r t i d a ; // Es ta e s l a que t o d o s s e d i s p u t a n .mutex= new Semaforo ( 1 ) ;a c c e s o e x c l u s i v o= new Semaforo ( 1 ) ;i n t l e c t o r e s= 0 ;

f o r ( i= 0 ; i

(14) Lectores/escritores (cont.)

Listing 11: Lectoresp ro c L e c t o r ( i ){

mutex . w a i t ( ) ;l e c t o r e s ++;i f ( l e c t o r e s ==1)

// Soy e l pr imero , r e c la mo a c c e s o e x c l u s i v o para// t o d o s l o s l e c t o r e s .a c c e s o e x c l u s i v o . w a i t ( ) ;

mutex . s i g n a l ( ) ;

L e e r ( c o m p a r t i d a ) ;

mutex . w a i t ( ) ;l e c t o r e s ;i f ( l e c t o r e s ==0)

// Soy e l u l t imo , d e j o que e n t r e n l o s e s c r i t o r e s .a c c e s o e x c l u s i v o . s i g n a l ( ) ;

mutex . s i g n a l ( ) ;}

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(15) Lectores/escritores (cont.)

Puede haber deadlock?

No, pero puede haber inanicion de escritores.

Tarea: pensar como evitarlo.

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(16) Filosofos que cenan

Este problema lo invento Dijkstra en 1965.

Tenemos 5 filosofos en una mesa circular, con fideos en elmedio y un tenedor entre cada filosofo. Para comer necesitandos tenedores.

Los filosofos hacen:p ro c F i l o s o f o ( i )wh i l e ( t r u e ){

p e n s a r ( ) ;c o n s e g u i r t e n e d o r e s ( i ) ;comer ( ) ;d e j a r t e n e d o r e s ( i ) ;}

Problema: programar conseguir tenedores() ydejar tenedores() de manera tal que:

EXCL) Solo un filosofo tenga cada tenedor en cada momento.DEAD) No haya deadlock.INAN) No haya inanicion.

CONC) Mas de un filosofo este comiendo a la vez.

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(17) Filosofos que cenan

Empecemos por algunas definiciones basicas:

Macros comodas para los tenedores:

izq(i) = ider(i) = (i + 1) mod 5

Que son los tenedores?

Seguro que hay que garantizar acceso exclusivo a ellos:

Un arreglo: tenedores[i]= new Semaforo(1)

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(18) Solucion ingenua

Empecemos por la idea mas elemental:

f u n c c o n s e g u i r t e n e d o r e s ( i ){

t e n e d o r e s [ i z q ( i ) ] . w a i t ( ) ;t e n e d o r e s [ d e r ( i ) ] . w a i t ( ) ;}

f u n c d e j a r t e n e d o r e s ( i ){

t e n e d o r e s [ i z q ( i ) ] . s i g n a l ( ) ;t e n e d o r e s [ d e r ( i ) ] . s i g n a l ( ) ;}

Esta bien?

Esta solucion garantiza EXCL, pero falla con DEAD.

Como rompemos el deadlock? Pensemos en las condiciones.

Tarea: pensar en soluciones para este problema. Buscar las yaexistentes.

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(19) Barbero

Otro problema clasico:

En una peluquera hay dos salas, una de espera, con n sillas yotra donde esta la unica silla donde el unico peluquero corta elpelo.

Si no hay clientes, el peluquero se duerme una siesta.

Si entra un cliente, y no se puede sentar a esperar, se va.

Si el peluquero esta dormido, lo despierta.

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(20) Barbero (cont.)

Vamos a usar tres semaforos:

a l g u n c l i e n t e= new Semaforo ( 0 ) ;p a s a r= new Semaforo ( 0 ) ;mutex= new Semaforo ( 1 ) ;c l i e n t e s= 0 ;

El peluquero es sencillo:

p ro c P e l u q u e r owh i l e ( t r u e ){

a l g u n c l i e n t e . w a i t ( ) ;p a s a r . s i g n a l ( ) ;c o r t a r p e l o ( ) ;}

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(21) Barbero (cont.)

Veamos a los clientes:p ro c C l i e n t e ( )

// Hay l u g a r ? Capac idad = n + 1 ( a l que l e c o r t a n )mutex . w a i t ( ) ;i f ( c l i e n t e s==n+1)

// No , me voy .mutex . s i g n a l ( ) ;r e t i r a r s e ( ) ; // No v u e l v e

// S hay l u g a r , e n t r o .c l i e n t e s ++;mutex . s i g n a l ( ) ;

// A v i s o que l l e g u e .a l g u n c l i e n t e . s i g n a l ( ) ;// Espero a que me d e j e n p a s a r .p a s a r . w a i t ( ) ;

e n t r a r a c o r t a r s e e l p e l o ( ) ; // Todo para e s t o !

// S a l g o .mutex . w a i t ( ) ;c l i e n t e s ;mutex . s i g n a l ( ) ;

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(22) Bibliografa

The Little Book of Semaphores, Second Edition. Allen B.Downey. http://greenteapress.com/semaphores/

Cooperating sequential processes. Edgar W. Dijkstra.Technical Report 123, Univ. Texas. http://www.cs.utexas.edu/users/EWD/transcriptions/EWD01xx/EWD123.html.

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