PowerPoint Presentation Clase modelo

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M.C. Juan Carlos Olivares Rojas
Operating Systems jolivares_at_uvaq.edu.mx February,
2009
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Outline

• Modelo e Implantación de Procesos
• Comunicación entre Procesos
• Ejemplos de Comunicación entre Procesos
• Planificación de un Proceso

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Outline

• Procesos Cooperativos
• Implementación de Procesos
• Threads

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Objective

• The student will know and apply the basis of
  process, InterProcess Communication and
  Sinchronization Mechanism.

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Modelo e Implantación de Procesos

• Un proceso es un programa en ejecución.
• Todos los procesos tienen asociados un espacio de
  direcciones en memoria, registros y el contador
  de programas.
• De acuerdo a la arquitectura de Von Neuman un
  programa para poderse ejecutar necesita estar en
  memoria.

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Modelo e Implantación de Procesos

• El espacio de direcciones se compone además de
  direcciones para almacenar datos, código, la pila
  y el heap (montículo).
• Toda la información de los procesos en los SOs se
  guardan el PCB (Process Control Block) que es un
  arreglo o lista ligada que indica la descripción
  de cada uno de los procesos.

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Modelo e Implantación de Procesos

• Los procesos tienen asignados un identificador de
  procesos (PID), el cual es la forma en que el SO
  trabaja con los procesos.
• Los procesos se ejecutan de manera secuencial
  pero pueden realizar bifurcaciones, motivo por el
  cual se necesita el contador de programa.
• Los programas pueden tener asignado distintas
  prioridades para darle más jerarquías.

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Modelo e Implantación de Procesos

• La finalidad del administrador de procesos es
  realizar una buena administración (planificación)
  del tiempo de CPU de la computadora a fin de
  ejecutar más programas de manera más eficiente.
• Otra de las características básicas que presenta
  un proceso es el estado en el cual se encuentra.
  Existen tres estados básicos en proceso
  Ejecución, Listo y Bloqueado.

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Modelo e Implantación de Procesos

• Un proceso está en ejecución cuando tiene acceso
  real al tiempo de CPU.
• Un proceso está listo cuando se puede ejecutar,
  es decir, por algún motivo se suspendió para
  dejar ejecutar otro proceso
• Un proceso está bloqueado cuando está en espera
  de algún recurso (E/S) o de que ocurra un evento.

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Modelo e Implantación de Procesos

• Otros modelos de estados de procesos incluyen
  otros estados como el de nacimiento, inactivo y
  diferencia entre bloqueado y en espera.
• Dentro de un CPU un y sólo un proceso puede estar
  ejecutándose al mismo tiempo.
• Los procesos se pueden dormir, despertar y ser
  asesinados antes de tiempo.

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Comunicación entre Procesos

• Los procesos en algunos SOs pueden crear otros
  procesos llamados subprocesos, teniendo una
  jerarquía de procesos padre e hijos.
• Estos procesos pueden trabajar de manera
  cooperativa para la resolución de un problema muy
  particular. Para ello necesitan comunicarse entre
  sí y a lo que a nivel de SO se llama IPC (Inter
  Process Communication).

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IPC

• La parte más importante de la comunicación entre
  procesos es sin duda la transferencia de mensajes
  entre los diversos procesos.
• La transferencia de mensajes puede llevarse acabo
  en base a dos primitivas, enviar y recibir, que
  se pueden aplicar a casi cualquier recurso como a
  los archivos (leer y escribir).

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IPC

• La comunicación entre procesos IPC se debe dar a
  través del kernel del Sistema Operativo.
• Tanto Windows como Linux y otros Sistemas
  Operativos implementan IPC pero lo hacen de
  manera particular.
• Los IPC de sistemas X son los más comunes y
  estandarizados. A continuación se describirá algo
  de IPC en Linux.

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IPC X

• include ltsys/types.hgt
• pid_t pid
• hijo getpid()
• Padre getppid()
• Grupo getpgrp()
• Un subprocesos se crea con la instrucción fork()

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IPC X

• Existen otros tipos de usuarios y grupos los
  cuales son extendidos, es decir, no actúan como
  los usuarios reales.
• uid_t getuid() /usuario real/
• uid_t geteuid() /usuario extendido/
• gid_t getgid()
• gid_t getegid()
• Los subprocesos tienen una jerarquía muy marcada.

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IPC X
//Validación de subprocesos if (pid -1)
perror(Error al crear proceso) else if
(pid 0) /Proceso hijo/ else
/Proceso padre/
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Ejemplos de Comunicación entre Procesos

• La principal problemática que se presenta
  consiste en las condiciones de competencia de los
  procesos. Por ejemplo, compartir una impresora.
  Si varios procesos pudieran acceder a la
  impresora se tendrían problemas de
  inconsistencias al momento de imprimir.
• A continuación se describirán algunos problemas
  de IPC para dar solución en la próxima unidad.

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Ejemplos de IPC

• El problema del productor-consumidor dos
  procesos comparte un mismo recurso compartido. El
  problema se presenta cuando el proceso productor
  produce más de lo que el buffer compartido puede
  soportar y cuando el proceso consumidor quiere
  consumir un valor del buffer cuando esta vació.
• Este tipo de problemas se puede presentar en
  casos similares como el de la impresora.

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Ejemplos IPC

• Otro problema clasico de IPC es el de la cena de
  los filosofos, el cual se basa en que existen
  cinco filosofos comensales sentados alrededor de
  una mesa circular. Cada filosofo tiene ante si un
  plato de espaguetti. El espaguetti es tan
  resbaloso que se necesitan dos tenedores para
  comerlo. Entre cada par de platos hay un tenedor.

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Ejemplos IPC

• Un filosofo puede comer y pensar. Para comer es
  necesario que disponga de dos tenedores
• La solucion mas obvia puede causar
  inconsistencias. Que pasaria si todos toman su
  tenedor de la izquierda al mismo tiempo.
• Podria mejorarse si uno filosofo toma su tenedor
  de la izquierda, verifica que el de su derecha
  este desocupado si no lo libera.

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Ejemplos IPC

• Por que falla esta opcion?
• Otro problema famoso es el problema del peluquero
  dormido en el cual se tienen un peluquero, una
  silla de peluqyero y n sillas de clientes.
• Si no hay ningun cliente el peluquero se duerme.
  Si llega un cliente y esta dormido el peluquero
  lo despierta.

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Ejemplos IPC

• Si llega un cliente mientras esta despierto el
  peluquero se forma en las sillas, o bien, se sale
  si las sillas estan todas ocupadas.
• Todos estos son ejemplo de IPC. Los mecanismos
  basicos son las tuberias, la cola de mensajes,
  los semaforos, la memoria compartida, los
  sockets, entre otros elementos.

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Planificación de un Proceso

• La planificación de procesos es la etapa más
  importante del administrador de procesos ya que
  se encarga de administrar la disponibilidad del
  uso de CPU.
• Los planificadores no importando su complejidad
  deben respetar los siguientes elementos
  equitatividad, eficiencia, tiempo de respuesta,
  retorno, volumen de producción.

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Planificación de un Proceso

• La problemática con este tipo de administración
  es que los recursos son únicos e imprendecibles.
  Por este motivo el planificador trata de estimar
  algunas características.
• Un planificador no sabe cuanto tiempo tardará en
  ejecutarse un proceso y si este en algún momento
  se bloquea por alguna petición de entrada o de
  salida.

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Planificación de un Proceso

• Por este motivo un planificador debe de asignar
  un tiempo predeterminado llamado Quantum para la
  ejecución de procesos.
• Un proceso puede ser interrumpido por otro
  proceso cuando este último requiera de una
  atención inmediata. Esto da origen a
  planificadores don prioridades.

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Planificación de un Proceso

• La prioridad puede darse por jerarquía, por
  costos o por otro medio que sirva de
  discriminante.
• Las prioridades pueden ser dinámicas o estáticas.
• El planificador de procesos se encarga de
  mantener el contexto de cada una de las
  aplicaciones para poder realizar multitarea.

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Planificación de un Proceso

• Existen diverso algoritmos de planificación de
  tareas, los cuales a continuación se describen.
• El algoritmo de round robin (torneo) es muy
  sencillo, el cual consiste en una lista ligada
  con los diferentes procesos donde se ejecutan uno
  por uno pasandose hacia el final de la cola.

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Planificación de un Proceso

• La planificación en Round Robin no es la mejor
  dado a que es muy susceptible al tiempo del
  cuantum y al tamaño de la cola.
• La planificación por prioridad permite
  calendarizar los procesos de acuerdo a su
  importancia. Los sistemas UNIX cuentan con el
  comando nice para reducir la prioridad de un
  proceso.

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Planificación de un Proceso

• En algunas ocasiones se suelen agregar diversas
  mezclas de algoritmos de planificación. Por
  ejemplo, se puede manejar un sistema de colas por
  prioridades, en donde cada cola trabaja como si
  fuera un sistema round robin.
• Otro algoritmo de planificación es el utilizar
  colas múltiples. En un principio el cuantum de
  tiempo aumentaba

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Planificación de un Proceso

• En un principio el quantum de tiempo aumenta en
  proporción del tiempo que está el proceso en
  ejecución teniendo 1, 2, 4 ... N cantidad de
  quantum. Esto hace que los procesos más viejos
  tengan mayor prioridad.
• Otros planificadores de colas múltiples colocan
  los procesos de manera generalizada en colas de
  terminal, E/S, quantum corto, quantum largo, etc.

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Planificación de un Proceso

• Un algoritmo de planificación más efectivo es el
  primer el trabajo más corto, dado que el promedio
  de retorno de cada proceso es menor siguiendo
  esta técnica, la desventaja es que es dificil
  calcular cual es el trabajo más corto.
• La planificación garantizada consiste en hacer
  promesas a los usuarios para después cumplirla.
  Una promesa fácil es 1/n.

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Planificación de un Proceso

• Un mejor esquema es la planificación por loteria,
  la cual sonsiste en repartir boletos entre los
  procesos, a los procesos ganadores se les asigna
  tiempo de CPU. El secreto es asignar una
  cantidad de boletos equivalente al peso e
  importancia de los procesos.
• En sistemas muy especiales como los sistemas de
  tiempo real, el planificador debe considerar
  muchas restricciones.

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Planificación de un Proceso

• Entre estas restricciones están la administración
  de eventos y de cumplir con los límites de
  tiempos establecidos.
• Otra alternativa de planificación es utilizar dos
  niveles. Un nivel para gestionar procesos en
  memoria principal y otro nivel para memoria
  secundaria. Con este esquema se obtiene mejor
  rendimiento cuando se utiliza memoria virtual.

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Procesos Cooperativos

• Los procesos cooperativos son aquellos que pueden
  trabajar de manera conjunta.
• Una de las mejores alternativas para la
  planificación de procesos consiste en que los
  mismos procesos gestionen con los demás su turno
  de uso CPU. Si se programa de buena manera puede
  funcionar, de lo contrario producirá un esquema
  de competencia.

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Implementación de Procesos

• La implementación de procesos depende de la
  arquitectura del sistema operativo utilizada.
• Ya se comentó en diapositivas anteriores la
  implementación de procesos en sistemas X otros
  sistemas difieren en las llamadas al sistema pero
  conceptualmente se parecen por que están basados
  en POSIX.

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Implementación de Procesos

• Por ejemplo, la implementación de procesos en
  Windows se da de manera generalizada con llamada
  al sistema CreateProcess().
• En Linux además de la llamada fork(), se
  encuentra clone() que clona un proceso de memoria
  pero puede compartir estructuras de datos.

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Threads

• Los hilos son procesos ligeros a diferencia de
  los procesos hijos, los hilos sólo replican el
  segmento de código, por lo que comparten datos
  entre otros hilos haciendo mejor uso de la
  memoria.
• La problemática con los hilos es que cada sistema
  operativo implementa sus hilos de manera
  distinta. Por ejemplo existen los hilos POSIX,
  los hilos C de Mach, los hilos en Windows, etc.

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Hilos

• La implementación también dependerá del tipo de
  lenguaje utilizado para la codificación. Por
  ejemplo se tienes hilos en Java, hilos en
  lenguaje como Modula-2, ADA, etc. los cuales
• En general, los sistemas X implementan más
  procesos hijos que hilos, pero se pueden hilos
  pero no están garantizado su uso en muchos
  sistemas legados.

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Hilos

• En general los hilos en Java debido a su
  portabilidad binaria son idénticos en todas las
  plataformas. Existen dos formas básicas de
  implementar procesos heredar de la clase Thread
  o bien implementar la interfaz Runnable.
• En general en el método public void run() se
  agrega la funcionalidad del hilo.

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Hilos

• Si se heredo de la clase Thread el hilo debe
  crearse de la siguiente forma
• Thread hilo new Thread(new Objeto())
• El método Thread.sleep(ms) permite dormir un
  proceso n cantidad de milisegundos.

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Hilos

• En general se ejecuta el hilo poniendo el método
  start(), e.g. hilo.start()
• Otros métodos de los hilos son isAlive() para
  determinar si un hilo está con vida, el metodo
  stop() finaliza un hilo, el método suspend() lo
  suspende, el método resume() reanuda un proceso
  y join() espera a que finalice un proceso
  especificado.

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Hilos

• Se pueden asignar prioridades a los hilos con el
  método setPriority(), en donde la prioridad puede
  ser MIN, MAX y NORM_PRIORITY.
• El método yield() cede prioridad, mientras que el
  método setDaemon(true) hace que un hilo sea
  demonio.

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Hilos

• Los demonios son hilos que pueden correrse sin
  depender de otros procesos. Se utilizan mucho
  para la programación de servicios del sistema.
• Se pueden crear grupos de hilos con la clase
  GroupThread para un mejor manejo.

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Hilos

• En Windows los hilos se crean con la instrucción
  BeginThread, se pueden hacer uso en Visual C de
  APIs de mayor nivel de abstracción como el método
  AfxBeginThread() o la clase CThread del MFC
  (Microsoft Solution Framework).
• En .NET se utiliza la clase Thread para generar
  procesos hilos.

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Hilos

• PThreads (POSIX Threads) es la biblioteca para la
  creación de hilos más implementada en sistemas
  X.
• Se utiliza la biblioteca pthread por lo que
  algunos compiladores ya la incluyen de manera
  predeterminada sino habrá que indicar su uso gcc
  -lpthread

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Hilos

• Crear hilos
• int pthread_create(pthread_t thread,
  pthread_attr_t attr, void (start_routine)(void
  ), void arg)
• Esperar la finalización de hilos
• int pthread_join(pthread_t th, void
  thread_return)

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Hilos

• No guardar estado del hilo
• int pthread_detach(pthread_t h)
• Salir de un hilo
• pthread_exit(void retval)
• Biblioteca a utilizar include ltpthread.hgt

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Hilos

• typedef struct parametros
• int id
• char nombre
• void funcion(parametros p)
• printf(s d, p-gtcadena, p-gtid)
• pthread_exit((p-gtid))

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Hilos

• Referencia asi mismo
• Yo pthread_self() /Demás funciones/
• Enviar una señal a un hilo
• pthread_kill(pthread_t hilo, int señal)
• Los hilos no están tan extendidos por que existen
  muchas variantes hilos mach, hilos solaris,
  Gthreads, etc.

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El Problema de la Sección Crítica

• Lo importante en un problema de compartición de
  recursos, no es la compartición del recurso en
  sí, sino el mecanismo de protección para poder
  acceder de manera controlada y equitativa al
  recurso.
• La sección crítica es la parte de código que se
  desea compartir con otros procesos concurrentes.
  Esta región debe ser en algunos casos mutuamente
  excluyente (mutex).

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El Problema de la Sección Crítica

• En algunos casos como en las lecturas, el acceso
  concurrente a un recurso no tiene mayor
  complicaciones.
• En otros casos como en la escritura, se debe de
  controlar el acceso, ya que no hacerlo podría
  causar muchos problemas.
• Los recursos se pueden compartir dinámicamente
  (intercalados) y estáticamente (exclusivo).

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Sincronización de Hardware

• La mejor forma de realizar sincronización de
  proceso es a través de mecanismos de hardware.
• La gran mayoría de microprocesadores que permiten
  multitarea tienen esquemas robustos de protección
  para la concurrencia de procesos.
• Se puede contar con registro base y límite para
  el acceso controlado a los recursos, o bien
  esquemas de prioridad.

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Semáforos

• Desafortunadamente tener mecanismos de
  sincronización en hardware es sumamente costoso.
  Por este motivo la inmensa mayoría de los métodos
  de compartición de recursos se hacen a nivel de
  software.
• Cualquier recurso compartido en una computadora
  está asociado a una localidad de memoria, por
  este motivo la protección de memoria juega un
  papel muy importante en la sincronización de
  procesos

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Semáforos

• Los semáforos son mecanismos que permiten
  sincronizar procesos para prevenir colisiones
  cuando uno o más procesos solicitan
  simultáneamente un recurso.
• Dijsktra los define como un objeto tipo entero en
  los cuales se puede aplicar dos operaciones P
  (Proberen, comprobar) y V (Verhogen,
  incrementar), donde P sirve para obtener el
  recurso y V para liberarlo.

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Semáforos

• Los semáforos son un mecanismo de IPC
  estandarizado por POSIX.
• Todos los mecanismos IPC tienen una entrada en
  una tabla especial con una llave definida por el
  usuario.
• Los posibles valores de la llave son IPC_PRIVATE,
  IPC_CREATE, IP_EXECL, entre otros.

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Semáforos

• Cada entrada de la tabla tiene un registro de
  permisos (rw), información de estado y llamadas
  de control.
• Las llaves son del tipo key_t. Para crear una
  llave se utiliza
• include lttypes.hgt
• include ltsys/ipc.hgt
• key_t ftok(path, id)

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Semáforos

• Las operaciones sobre un semáforo son semget para
  crear un semáforo o habilitar uno existente,
  semctl para realizar operaciones de control e
  inicialización, semop para realizar operaciones P
  y V.
• include ltsys/types.hgt
• include ltsys/ipc.hgt
• include ltsys/sem.hgt
• int semget(key, nsems, semflg)

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Semáforos

• int llave, semid
• if((llave ftok(auxiliar, K)) (key_t)-1)
• /Tratamiento del error/
• if((semid semget(llave, 4, IPC_CREAT 0600))
  -1)
• /Error al crear el semáforo/

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Semáforos

• int semctl(semid, semnum, cmd, arg)
• union semun
• int val
• struct semid_ds buf
• ushort array
• arg
• Las opciones de control son GETVAL, SETVAL,
  GETPID, GETNCNT, GETZCNT, GETALL, SETALL,
  IPC_STAT, IPC_SET

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Semáforos

• ushort asem
• asem05 asem13 asem24 asem38
• semctrl(semid, 0, SETALL, asem)
• valor semctrl(semid, 3, GETVAL, 0)
• int semop(semid, sops, nsops)
• struct sembuf sops

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Semáforos

• struct sembuf
• ushort sem_num
• short sem_op
• short sem_flg
• Si semop es negativo se decrementará (P), si se
  incrementa (V) y si es 0 no hace nada.
• Las banderas son IPC_WAIT, IPC_NOWAIT, SEM_UNDO

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Semáforos

• struct sembuf operacines4
• Operaciones0.semnum 1
• Operaciones0.sem_op -1
• Operaciones0.sem_flg 0
• Operaciones1.semnum 4
• Operaciones1.sem_op 1
• Operaciones1.sem_flg 0
• semop(semid, operaciones, 2)

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Regiones críticas

• Las regiones críticas son otra forma de
  sincronización de procesos.
• Un semáforo en algunas ocasiones no puede
  sincronizar más de un recurso diferente a la vez
  por lo que se necesitan de mecanismos de control
  de concurrencia más elaborados.
• Otros mecanismos IPC que permiten sincronizar y
  proteger regiones críticas son las colas de
  mensajes .

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Colas de Mensajes

• La filosofía de las colas de mensajes es similar
  a las tuberías, pero con mayor versatilidad.
• Una cola es una estructura de datos gestionada
  por el kernel, en la cual varios procesos pueden
  escribir sobre ella. El sincronismo para evitar
  colisión lo realiza el kernel.

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Colas de mensajes

• include ltsys/msg.hgt
• int msgget(key, msgflg)
• If((msqid msgget(llave, IPC_CREATE 0600))
  -1)
• /Error al crear la cola de mensajes/
• msgctrl(msq, cmd, buf) sirve para leer y
  modificar la información estadística y de control
  de una cola.

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Colas de mensajes

• Los comandos de control son IPC_STAT, IPC_SET,
  IPC_RMID. Por ejemplo msgctrl(msqid, IPC_RMID,
  0)
• Las operaciones básicas de una cola de mensajes
  son enviar y recibir los mensajes que se realizan
  con las siguientes funciones
• int msgsnd(msqid, msgp, msgsz, msgflg)
• int msgrcv(msqid, msqp, msgtyp, msgflag)

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Cola de mensajes

• El parámetro msgtyp indica el tipo de mensaje que
  se desea leer 0 para el primer mensaje, gt 0 el
  primer mensaje de tipo msgtyp que haya en la
  cola, lt0 lee el primer mensaje que sea menor o
  igual al valor absoluto de msgtyp y además sea el
  mensaje más pequeño de los que hay.

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Cola de mensajes

• struct
• long tipo
• char cadena20
• mensaje
• strcpy(mensaje.cadena, SD1)
• mensaje.tipo 1
• longitud strlen(mensaje.cadena)
• if(msgsnd(msqid,mensaje,longitud,0)-1) /Err/
• if(msgrcv(msqid,mensaje,longitud,1,0) -1)
  /Er/

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Monitores

• Es un procesos que se encarga de verificar el
  funcionamiento de algún recurso garantizando la
  exclusión mutua (mutex).
• En un monitor los procesos se bloquean y
  desbloquean.
• Pueden existir diversas implementaciones no
  estandarizadas de un monitor.

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Monitores

• En Java los monitores están implementados de
  manera nativa con el modificador de los métodos
  syncronized.
• El monitor es el mecanismo que nos permite
  controlar el acceso a una región crítica, en este
  caso un método. También se puede utilizar
  semáforos como objetos mutex disponibles en el
  paquete java.util.concurrent.

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Deadlocks

• Los interbloqueos son la parte más problemática
  de los mecanismos de sincronización.
• Un interbloqueo ocurre cuando un proceso A que
  utiliza un recurso no lo libera por que está en
  espera de otro recurso que el proceso B tiene y a
  su vez no libera por esperar el recurso de A.
• En casos de interbloqueo la concurrencia del
  sistema se ve eliminada.

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Deadlocks

• Los interbloqueos pueden ser detectados a través
  de la verificación de un ciclo infinito.
  Desgraciadamente este problema se trata de un
  problema no deducible y por lo tanto no
  computable es decir, es difícil saber si un
  programa realmente se bloqueo o si está en un
  ciclo activo.
• Existen muchos métodos para detectar los
  interbloqueos, a continuación se describen
  algunos.

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Deadlocks

• El método de la avestruz es el más sencillo,
  consiste en agachar la cabeza y no hacer nada por
  el problema.
• El método de herir y esperar consiste en matar un
  proceso que esté el interbloqueo y esperar a que
  los procesos existentes se sincronicen.
• El procesos de herir y matar consiste en eliminar
  un proceso y asignar los recursos a los procesos
  de manera estática.

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Process
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Process
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Process
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Process
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Process
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Process
80
OS Architecture
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Signals
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Process
83
Process
84
Process
85
System Call
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POSIX
87
Ring Level Architecture
88
Process State
89
Process Scheduler
90
Web Server Process
91
Threads Implementation
92
Critical Section
93
Philosopher
94
Philosophers
95
Readers and Writers
96
Sleepy Barber
97
Sleepy Barber
98
First the Shortest Job
99
Process Execution
100
Process List
101
Priority Queue
102
Memory Partitions
103
Synchronization Problem
104
POSIX System Call
105
Layer Architecture
106
Client-Server Architecture
107
(No Transcript)