Sistemas Concurrentes: Regiones crticas y monitores

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Sistemas ConcurrentesRegiones críticas y
monitores

• I.T. Informática de Sistemas

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Bibliografía

• Programación Concurrente
• J. Palma, C. Garrido, F. Sánchez, A. Quesada,
  2003
• Capítulos 5 y 6
• Concurrent Programming
• A. Burns, G. Davies. Addison-Wesley, 1993
• Capítulo 7
• Principles of Concurrent and Distributed
  Programming
• M. Ben-Ari. Prentice Hall, 1990
• Capítulo 5
• Sistemas Operativos
• A. Silberschatz, P. Galvin. Addison-Wesley, 1999
• Capítulo 6

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Limitaciones de los semáforos

• Los semáforos permiten una implementación muy
  eficiente y sencilla, pero son propensos a
  errores por despistes del programador
• Comportamiento muy sensible al valor inicial
• Nivel de abstracción muy bajo (próximo al S.O.)
• Permiten usos indebidos (ej. dos llamadas
  seguidas a V en un semáforo para exclusión
  mutua)

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Superando los semáforos

• A partir de los años 70, se propusieron
  herramientas de mayor nivel de abstracción que
  los semáforos.
• Herramientas que expresen de forma clara estos
  dos casos
• Acceso a recursos en exclusión mutua
• Espera condicional
• Ejemplos
• Regiones críticas condicionales
• Monitores y variables condición
• Objetos protegidos (Ada)
• Objetos con cerrojos (Java, C)

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Región crítica

• Brinch Hansen (1972) ? Concurrent Pascal
• Abstracción del acceso a un recurso compartido

var m,n integer resource V
m,n ... region V do begin acceso a m y n
end
Datos compartidos
Asociamos un recursoV a las variables m,n
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Regiones críticas propiedades

• El lenguaje permite declarar recursos compartidos
• Un recurso compartido está asociado a una o
  varias variables compartidas por varios procesos.
• Los procesos sólo pueden acceder a una variable
  compartida dentro de una región crítica vinculada
  al correspondiente recurso compartido.
• En cada instante, como mucho un proceso puede
  estar trabajando con un recurso compartido.

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Regiones críticas propiedades (2)

• Esto significa que
• Si no hay ningún proceso dentro de una RC,un
  proceso que lo desee puede entrar a dicha RC.
• Si hay un proceso dentro de una RC y N procesos
  quieren entrar, todos esos N procesos deben
  esperar.
• Cuando un proceso sale de una RC entrará uno de
  los procesos que esperan.

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Regiones críticaspropiedades de progreso

• Las decisiones de quien entra y cuando se
  abandona una RC se toman en un tiempo finito.
• La política de selección de los procesos en
  espera es justa (no hay inanición).

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Implementación de la región crítica

• Cada recurso compartido se maneja con un cerrojo
  (semáforo binario)
• region RC do
• begin
• código
• end

• RC_cerrojo.Acquire()
• código
• RC_cerrojo.Release()

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Región crítica condicional (RCC)
Var i,j integer resource V
i,j ... ... region V when B do S
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RCC

• Su funcionamiento es similar a la RC sólo que
  además para que un proceso ejecute S, la
  condición B debe ser cierta.
• La evaluación de la condición B se considera
  parte de la región crítica se evalúa en
  exclusión mutua.
• Mientras la condición de entrada sea falsa, el
  proceso se mantiene bloqueado.

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RCC

• Un proceso que haya evaluado la condición a falso
  no vuelve a entrar a su RC hasta que otro proceso
  abandone ésta (espera pasiva)
• Se vuelve a ejecutar cuando (posiblemente)
  alguien haya modificado dicha condición

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Variante de Hoare await

• Await (condición) dentro de cualquier punto de la
  región crítica.
• Evalúa la condición y, si es falsa, desaloja al
  proceso de la RCC hasta que sea cierta.

region V do begin S1 S2 await (B)
S3 S4 end
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Implementación de la RCC

• Brinch Hansen sugirió el empleo de dos colas para
  la implementación de las RCC

Qv
(si la condición se vuelve cierta)
RC
(Bfalse)
When B
(Btrue)
Qs
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Potencia de las RCC

• Las RCC son más o menos potentes que los
  semáforos? Es decir, pueden resolver más o menos
  problemas de sincronización?
• Un semáforo se puede implementar con RCC
• Las RCC se pueden implementar utilizando
  semáforos
• O sea son igual de potentes

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Inconvenientes de las RCC

• Aunque mejoran algunos aspectos negativos de los
  semáforos, las RCC tienen algunas limitaciones
• Su implementación es poco eficiente
• En el peor caso, cada vez que un proceso sale de
  RCC se reevalúan las condiciones de todas las RCC
  bloqueadas
• Cualquiera puede escribir una región crítica que
  trabaje con un recurso compartido
• Las RC pueden estar dispersas por todo el
  programa (difícil de analizar el comportamiento
  del código)
• Nuevas RC que estén mal escritas pueden alterar
  los invariantes que debería cumplir el recurso
  compartido

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Monitores

• Propuestos por Tony Hoare (1974) y Brinch Hansen
  (1972-74) ? Concurrent Pascal
• Tipo abstracto de datos
• Operaciones públicas
• Implementación privada
• Sincronización
• Acceso al recurso en exclusión mutua
• Colas de espera con variables condición

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Monitor (Concurrent Pascal)
monitor nombre_monitor var variables
locales procedure entry P1
(parámetros) var variables locales begin
código del procedimiento end ...
procedure entry Pk (parámetros) var variables
locales begin código del
procedimiento end begin código de
inicialización end
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Exclusión mutua

• Objetivo encapsular todas las regiones críticas
  de un recurso dentro de una misma zona de código
  fuente ? el monitor.
• Sencilla de implementar ? asociamos un cerrojo a
  cada objeto de tipo monitor. El compilador genera
  las operaciones de entrada y salida del monitor.

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Variables condición

• Una v.c. modela una cola de espera
• Sólo se pueden declarar y utilizar dentro de un
  monitor
• Declaración
• var x condition
• Operaciones
• WAIT(x). Bloquea al proceso y libera el monitor.
• SIGNAL(x). Si hay procesos bloqueados en x,
  desbloquea a uno de ellos si no, no hace nada.

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Monitor con variables condición
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Variables condición diferencias con los semáforos

• Las variables condición guardan semejanzas con
  los semáforos
• Tienen una operación de bloqueo y otra de
  desbloqueo
• Pero presentan diferencias sustanciales
• La operación de bloqueo es incondicional
• La operación de desbloqueo no tiene ningún efecto
  si no hay nadie esperando
• No tienen ningún valor asociado

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Semántica del SIGNAL

• Qué ocurre cuando un proceso P realiza una
  operación signal sobre una variable condición VC
  y existe un proceso suspendido Q asociado a dicha
  variable?
• No podemos hacer que Q se reanude y P siga su
  ejecución, porque entonces P y Q estarían los dos
  dentro del monitor.
• Qué hacemos, pues?

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Semántica del SIGNAL

• Semántica MESA
• Lenguaje MESA de Xerox.
• Desbloquear y continuar el proceso desbloqueado
  pasa a la cola de ingreso del monitor.
• Semántica Hoare
• Lenguaje Concurrent Pascal.
• Retorno forzado el SIGNAL funciona como una
  instrucción de retorno. El proceso desbloqueado
  entra en el monitor.
• Desbloquear y esperar
• El proceso desbloqueado entra en el monitor.
  Quien llamó al SIGNAL pasa a la cola de ingreso
  al monitor.
• Modula-2, Concurrent Euclid.
• Desbloquear y espera urgente
• Igual que la anterior, pero pasando a una cola
  preferente de ingreso al monitor.
• Pascal-FC, Pascal Plus.

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Políticas de las colas

• Si varios procesos están suspendidos por la
  condición VC y algún proceso ejecuta signal(VC),
  qué proceso se reanuda?
• Si el monitor queda libre y hay varios procesos
  en la cola de ingreso, cuál de ellos entra?
• Propuesta de Hoare llamadas con prioridad
• wait (VC, prioridad integer)
• Tras un signal, se reanuda el proceso que se
  bloqueó con el número más pequeño

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Operación Broadcast

• Algunos sistemas añaden una operación más a las
  variables condición
• Broadcast(VC) desbloquea a todos los procesos que
  están bloqueados en VC
• Útil en muchos problemas de sincronización
• Preguntas
• Cómo simularíamos un broadcast con una VC
  convencional?
• Tiene sentido con todas las semánticas de signal?

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Potencia de los monitores

• Un monitor es al menos tan potente como un
  semáforo?
• Demostración implementar un semáforo mediante un
  monitor
• Los monitores son más potentes que los
  semáforos?
• Demostración si un monitor se puede implementar
  con semáforos, no son más potentes

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Cuestiones problemáticasllamadas recursivas

• Qué ocurre si dentro de un monitor se realiza
  una llamada a alguna operación del monitor?
• Si el acceso al monitor está implementado con un
  cerrojo al inicio de cada procedimiento,se
  produce un autobloqueo
• Solución ? no intentar adquirir el cerrojo si soy
  el proceso propietario del monitor

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Cuestiones problemáticasLlamadas anidadas

• Cómo se gestionan las llamadas cruzadas entre
  monitores?
• ej. el proceso Pa está en el monitor A
• El proceso Pb está en otro monitor B
• Pa llama a un servicio de B y
• Pb llama a un servicio de A
• Qué sucede?

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Ejercicios

• En un sistema concurrente existen dos tipos de
  procesos, A y B, que compiten por utilizar cierto
  recurso. Al recurso se accede mediante la rutina
  de solicitarlo, esperar hasta que se pueda usar,
  usarlo y luego liberarlo. En cualquier momento
  puede haber un máximo de N procesos de cualquier
  tipo usando el recurso (N es constante). Por otro
  lado, para que un proceso de tipo A pueda entrar
  a emplear el recurso, debe haber al menos el
  doble de procesos de tipo B que procesos de tipo
  A dentro del recurso. Diseñe un algoritmo que
  cumpla con estas reglas de funcionamiento
  empleando regiones críticas

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Ejercicios

• Supongamos dos operaciones pedir_memoria(cantidad
  ) y dejar_memoria(cantidad). Cuando un proceso
  pide memoria, se bloquea hasta que haya la
  cantidad pedida de páginas libres, una vez que
  ocurre las toma. Un proceso devuelve las páginas
  llamando a dejar_memoria. Implementar dichas
  operaciones usando RCC en los siguientes
  supuestos
• Implementar la sincronización sin establecer
  ninguna política de quién recibe primero.
• Modificar lo anterior para que el trabajo que
  pide menos memoria sea el primero.
• Cambiar la política anterior para que el primero
  en llegar sea el primero en salir o ser atendido.
• Suponer que pedir y dejar devuelven páginas
  contiguas. Es decir, si un proceso reclama dos
  páginas, se retrasa hasta que haya dos páginas
  adyacentes disponibles. Desarrollar
  implementaciones de esa versión de pedir_memira y
  dejar_memoria. Elegir una representación del
  estado de páginas de memoria.