Sistemas operativos: una visión aplicada Capítulo 6 Interbloqueos

1. Sistemas operativos: una visión aplicadaCapítulo 6 Interbloqueos

2. Contenido • Introducción • Tipos de recursos • Modelo del sistema • Definición y caracterización del interbloqueo • Tratamiento del interbloqueo • Detección y recuperación del interbloqueo • Prevención del interbloqueo • Predicción del interbloqueo • Tratamiento del interbloqueo en los sistemas operativos

3. Introducción • Procesos compiten por recursos y se comunican entre sí • S.O. proporciona mecanismos de comunicación y sicronización • No basta: Conflicto entre necesidades de procesos puede causar bloqueo indefinido • Interbloqueo (deadlock) • Problema conocido y estudiado pero poca repercusión práctica • Aparece en otras disciplinas informáticas (p.e. Bases de datos) • Múltiples ejemplos de la vida cotidiana • Carretera de 2 sentidos con puente donde sólo cabe 1 coche • 2 personas llamándose por teléfono mutuamente

4. Caracterización • Interbloqueo se caracteriza por la existencia de: • Cjto. de entidades activas que usan un cjto. de recursos • Entidades activas • Procesos y threads • Recursos • Físicos: • UCPs, memoria, dispositivos. etc. • Lógicos: • archivos, semáforos, mutex, cerrojos, mensajes, señales, etc.

5. Tipos de recursos • Reutilizables o consumibles • ¿Sigue existiendo después de usarse? • Uso dedicado o compartido • ¿Pueden usarlo varios procesos simultáneamente? • Con uno o múltiples ejemplares • ¿Existen múltiples ejemplares del mismo recurso? • Expropiables o no expropiables • ¿Es factible expropiar el recurso cuando se está usando?

6. Recursos reutilizables Ejecución con interbloqueo P1: solicita(C) P2: solicita(I) P2: solicita(C)  bloqueo P1: solicita(I)  interbloqueo • Todos los recursos físicos • Algunos lógicos (archivos, cerrojos, mutex, ...) Primer ejemplo de interbloqueo Proceso P1Proceso P2 Solicita(C) Solicita(I) Solicita(I) Solicita(C) Uso de rec. Uso de rec. Libera(I) Libera(C) Libera(C) Libera(I) Ejecución sin interbloqueo P1: solicita(C) P1: solicita(I) P2: solicita(I)  bloqueo P1: libera(I) P2: solicita(C)  bloqueo P1: libera(C) P2: libera(C) P2: libera(I)

7. Recursos consumibles • Proceso genera recurso y otro lo consume • Recursos asociados a comunicación y sincronización • mensajes, señales, semáforos, ... • Ejemplo: Interbloqueo inevitable (“estructural”) Proceso P1Proceso P2Proceso P3 Enviar(P3) Recibir(P1) Recibir(P2) Recibir(P3) Enviar(P3) Enviar(P1) Enviar(P2) Recibir(P1)

8. Recursos reutilizables y consumibles • En general, procesos usan ambos tipos de recursos • No hay solución general eficiente • Exposición se centra en recursos reutilizables • Ejemplo mixto: Proceso P1Proceso P2 Solicita(C) Solicita(C) Enviar(P2) Recibir(P1) Libera(C) Libera(C) Si P2 obtiene C  interbloqueo

9. Uso dedicado o compartido • Recursos compartidos no afectan a interbloqueos • Puede haber recursos con ambos tipos de uso • En solicitud debe indicarse el modo de uso deseado • Si compartido: concedido si no se está usando en m. exclusivo • Si exclusivo: concedido si no se está usando • Por ejemplo, cerrojos sobre archivos • No tratados en la exposición

10. Con uno o múltiples ejemplares • Modelo general: N unidades de cada recurso • Solicitud de varias unidades de un recurso • Ejemplos: sistema con varias impresoras, la memoria, ... Ejemplo: Memoria disponible: 450KB Proceso P1Proceso P2 Solicita(100K) Solicita(200K) Solicita(100K) Solicita(100K) Solicita(100K) Si P1 satisface 2 primeras y P2 satisface 1ª  interbloqueo

11. Expropiables o no expropiables • Algunas soluciones basadas en expropiación: • Salvar estado de recurso y asignarlo a otro proceso • No siempre posible eficientemente: p.ej. plotter • Ejemplos de recursos expropiables: • Procesador: • Cambio de proceso = Expropiación • Estado de procesador copiado a BCP • Memoria virtual: • Reemplazo = Expropiación • Contenido de página copiado a swap • Ejemplo de interbloqueo potencial: • P1 listo (espera UCP) y tiene asignada cinta • P2 en ejecución (tiene UCP) solicita cinta • ¿Cómo lo resuelve el S.O.?

12. Modelo del sistema • Conjunto de procesos o threads • Conjunto de recursos de uso exclusivo (N unidades/recurso) • Relaciones entre procesos y recursos: • Asignación: nº unidades asignadas a cada proceso • Pendientes: nº unid. pedidas pero no asignadas por proceso • Primitivas genéricas: • Solicitud(R1[U1],...,Rn[Un]) • U1 unidades del recurso 1, U2 del recurso 2, etc. • Si todos disponibles, se concederá • Si no, se bloquea proceso sin reservar ningún recurso • Liberación(R1[U1],...,Rn[Un]) • Puede causar desbloqueo de otros procesos • Carácter dinámico del sistema: • procesos y recursos aparecen y desaparecen

13. Representación mediante grafo de asignación • Nodos {N}: Procesos {P} + Recursos {R} • Asociado a cada Ri valor que indica nº de unidades existentes • Aristas {A}: • Asignación (RiPj): Pj tiene asignada 1 unidad de Ri • Unidades asignadas de RiUnidades existentes • Solicitud (PiRj): Pi tiene pedida y no concedida 1 unid. de Rj • Solicitud de recursos de Pi: ¿Todos disponibles? • Sí: Por cada Rj tantas aristas RjPi como unidades solicitadas • No: Por cada Rj tantas PiRj como unidades solicitadas • Cuando disponibles se cambian a RjPi • Liberación de recursos de Pi: • Eliminar aristas RjPi correspondientes

14. Ejemplo 1 de representación con grafo • Ejecución de 3 procesos con 3 recursos R1 (2), R2 (3) y R3 (2) • P1: solicita(R1[2])  solicita 2 unidades • P2: solicita(R2[1]) • P2: solicita(R1[1])  se bloquea • P3: solicita(R2[1]) • P3: solicita(R2[1]) • P1: solicita(R2[1], R3[2])  se bloquea • Grafo resultante: N={P1,P2,P3,R1(2),R2(3),R3(2)} A={R1P1,R1P1,R2P2,P2R1,R2P3, R2P3,P1R2,P1R3,P1R3}

15. Representación gráfica del ejemplo

16. Ejemplo 2 de representación con grafo (1unid/rec) • P1: solicita(R1) • P2: solicita(R2) • P2: solicita(R1) bl. • P3: solicita(R2) bl. • P4: solicita(R3) • P1: solicita(R2) N={P1,P2,P3,P4,R1(1),R2(1),R3(1)} A={R1P1,R2P2,P2R1,P3R2,R3P4,P1R2}

17. Representación matricial • Rec. existentes E (dim p): Ei cuántas unid de Ri hay en el sistema • Asignación A (dim pxr):A[i,j] unid de Rj asignadas a Pi • Solicitud S (dim pxr):S[i,j] unid de Rj pedidas y no concedidas a Pi • Rec. disponibles D(dim p): Di cuántas unid de Ri hay disponibles • Deducible de E y A, su uso facilita descripción de algoritmos • Solicitud de recursos de Pi: ¿Todos disponibles? • Sí: Por cada Rj, A[i,j]= A[i,j]+ Uj (unidades solicitadas de Rj) • No: Por cada Rj, S[i,j]= S[i,j]+ Uj • Cuando disponibles se resta Uj de S[i,j] y se suma a A[i,j] • Liberación de recursos de Pi: • Por cada Rj, A[i,j]= A[i,j]- Uj (unidades solicitadas de Rj)

18. Ejemplo 1 de representación matricial • Ejecución de 3 procesos con 3 recursos R1 (2), R2 (3) y R3 (2) • P1: solicita(R1[2])  solicita 2 unidades • P2: solicita(R2[1]) • P2: solicita(R1[1])  se bloquea • P3: solicita(R2[1]) • P3: solicita(R2[1]) • P1: solicita(R2[1], R3[2])  se bloquea • Matriz resultante: 2 0 00 1 2 A= 0 1 0 S= 1 0 0 E=[2 3 2] D=[0 0 2] 0 2 00 0 0

19. Ejemplo 2 de representación matricial (1unid/rec) • Ejecución de 3 procesos con 3 recursos R1 (2), R2 (3) y R3 (2) • P1: solicita(R1) • P2: solicita(R2) • P2: solicita(R1) se bloquea • P3: solicita(R2) se bloquea • P4: solicita(R3) • P1: solicita(R2) • Matriz resultante: 1 0 00 1 0 A= 0 1 0 S= 1 0 0 E=[1 1 1] D=[0 0 0] 0 0 00 1 0 0 0 10 0 0

20. Definición de interbloqueo • Cjto. de procesos tal que cada uno está esperando un recurso que sólo puede liberar (generar, si consumibles) otro proceso del cjto • No es requisito bloqueo: puede haber espera activa • Condiciones para interbloqueo (Coffman): • Exclusión mutua. Recursos de uso exclusivo. • Retención y espera. Mientras proc. espera por recursos pedidos, mantiene los ya asignados. • Sin expropiación. No se expropian recursos asignados. • Espera circular. Existe lista circular de procesos tal que cada proceso espera por recurso que tiene siguiente proceso. • Son necesarias pero no suficientes: • Ejemp. 1 y 2 las cumplen pero sólo en el 2º hay interbloqueo

21. Condición necesaria y suficiente • Idea base: Visión “optimista” del estado actual • Proceso no bloqueado debería devolver recursos en el futuro • Recursos liberados desbloquearían otros procesos • Esos procesos liberarían recursos desbloqueando a otros, etc. • Reducción del sistema por proceso P • Si se pueden satisfacer necesidades de P con rec. disponibles • Nuevo estado hipotético donde P ha liberado todos sus rec. • Condición necesaria y suficiente: •  secuencia de reducciones desde estado actual que incluya a todos los procesos • Si no: procesos no incluidos están en interbloqueo • Sistemas con restricciones son más sencillos: • Si 1 unid/rec Cond. de Coffman necesarias y suficientes

22. Tratamiento del interbloqueo • Detección y recuperación. Dejar que se produzca, detectarlo y recuperarse del mismo. • Coste de algoritmo + pérdida del trabajo realizado • Prevención. Asegura que no ocurre fijando reglas para pedir rec. • Infrautilización de rec.: se deben pedir antes de necesitarlos • Predicción. Asegura que no ocurre basándose en conocimiento de necesidades futuras de los procesos • Dificultad de conocer futuro • Coste de algoritmo + Infrautilización de recursos • Ignorar el problema: Utilizada por la mayoría de los SS.OO. • Dada la baja probabilidad de que ocurra y el coste que conlleva evitarlo (infrautilización y/o coste de algoritmos).

23. Detección del interbloqueo • Aplicación del concepto de reducción • Esta presentación se limita a alg. para rep. matricial • Para sistemas con restricciones, algoritmos más sencillos: • Si 1 unid/rec Cond. de Coffman necesarias y suficientes • Espera circular ciclo en grafo • Sólo necesario comprobar que no ciclo en grafo O(pr)) Ejemplo 2 tiene interbloqueo

24. Algoritmo de detección • Reducción por Pi: • Si S[i]D (recs. disponibles satisfacen necesidades) • D= D+A[i](devolver los recursos asignados) • Algoritmo de complejidad O(p2r): S=; Repetir { Buscar Pi no incluido en S tal que S[i]D; Si Encontrado { Reducir por Pi: D = D + A[i] Añadir Pi a S; } } Mientras (Encontrado) Si (S==P) No hay interbloqueo Si no: Procesos en P-S están en interbloqueo

25. Ejemplo de aplicación del algoritmo (1/3) • Matriz inicial: 2 0 00 1 2 A= 0 1 0 S= 1 0 0 E=[2 3 2] D=[0 0 2] 0 2 00 0 0 Primera iteración: • Estado inicial: S= • Red. por P3(S[3]D) D=D+A[3]=[022] • S={P3}

26. Ejemplo de aplicación del algoritmo (2/3) • Segunda iteración (D=[022]): • Red. por P1: S[1]D([012][022]) D=D+A[1]=[022]+[200]=[222] • S={P3,P1}

27. Ejemplo de aplicación del algoritmo (3/3) • Tercera iteración (D=[222]): • Red. por P2: S[2]D([100][222]) D=D+A[2]=[222]+[010]=[232] • S={P3,P1,P2}

28. Activación del algoritmo de detección • ¿Con qué frecuencia se ejecuta? • Algoritmo tiene coste pero, cuanto antes de detecte, mejor • Supervisión continua: • Por cada petición que no puede satisfacerse • Puede tener coste demasiado alto • Supervisión periódica: • Guiada por tiempo y/o por detección de síntomas • P.ej. Uso de UCP < umbral con alto grado de multiprogram.

29. Recuperación del interbloqueo • Una vez detectado, hay que eliminarlo • Seleccionar sucesivamente procesos implicados y quitarles sus recursos hasta eliminar interbloqueo • Alternativas: • “Retroceder en el tiempo” ejecución de proceso • Requiere S.O. con mecanismo de puntos de recuperación • Abortar proceso perdiendo todo su trabajo realizado • Criterio de selección de procesos basado en: • prioridad, nº de recursos asignados al proc., t. de ejecución,...

30. Prevención del interbloqueo • Estrategias basadas en que no se cumpla una cond. necesaria • “Exclusión mutua” y “sin expropiación” no se pueden relajar • Dependen de carácter intrínseco del recurso • Las otras dos condiciones son más prometedoras

31. Prevención basada en evitar “retención y espera” • Sólo pueden solicitarse recursos si no se tiene ninguno asignado • Infrautilización t1: solicita(A,B,C) (t1,t2): sólo utiliza A (t2,t3): utiliza A y B t3: Libera(A) (t3,t4): sólo utiliza B (t4,t5): utiliza B y C t5: Libera(B) (t5,t6): sólo utiliza C t6: Libera(C) t7: solicita(D) (t7,t8): sólo utiliza D t8: Libera(D)

32. Prevención basada en evitar “espera circular” • Método de las peticiones ordenadas: • Se establece un orden total de los recursos del sistema • Restricción: Proceso sólo puede pedir recursos en orden • Conlleva infrautilización • En ejemplo anterior: • Si A<B<C<D Proceso pide justo cuando necesita • Si A>B>C>D Proceso pide todo en t1 • Se deben ordenar recursos según orden más frecuente de uso

33. Predicción del interbloqueo • Existencia de “punto de no retorno” Proceso P1Proceso P2 Solicita(C) Solicita(I) Solicita(I) Solicita(C) Uso de rec. Uso de rec. Libera(I) Libera(C) Libera(C) Libera(I) • Si P1 y P2 obtienen su primer recurso habrá interbloqueo • Se evita conociendo a priori plan de peticiones de cada proceso • No concede 1 de esas peticiones aunque recursos disponibles • El sistema debe estar siempre en un “estado seguro”

34. Concepto de estado seguro • “Aunque todos los procesos solicitasen en este momento sus necesidades máximas, existe un orden secuencial de ejecución tal que cada proceso pueda obtenerlas” • Similar al análisis “futuro” de algoritmo de detección • Pero usando necesidades máx en vez de peticiones actuales • E. seguro: No interbl. usando como solicitudes necesidades máx. • Conocimiento a priori no da información sobre uso real Proceso P1Proceso P2 Solicita(C) Solicita(I) Libera(C) Solicita(C) Solicita(I) Libera(C) Libera(I) Libera(I) Estado inseguro condición necesaria pero no suficiente Ejemplo: no hay interbloqueo y sí estado inseguro

35. Algoritmo de predicción • Esta presentación se limita a alg. para rep. matricial • Algoritmo del banquero de Dijkstra (1965) • Requiere nueva estr. de datos: Matriz de necesidad N (dim pxr): • N[i,j] cuántas unid adicionales de Rj puede necesitar Pi • Es la diferencia entre necesidades máx. y unidades asignadas • Refleja tanto solicitudes no concedidas como futuras • Matriz S queda recogida en N y no la usa el algoritmo • Inicialmente contiene necesidades máx. de cada proceso • Solicitud de recursos de Pi: ¿Todos disponibles? • Sí: Por cada Rj, A[i,j]= A[i,j]+ Uj y N[i,j]= N[i,j]- Uj • No: Sólo se actualiza S (que no se usa en algoritmo) • Cuando disponibles, A[i,j]= A[i,j]+ Uj y N[i,j]= N[i,j]- Uj • Liberación de recursos de Pi: • Por cada Rj, A[i,j]= A[i,j]- Uj y N[i,j]= N[i,j]+ Uj

36. Algoritmo del banquero • Determina si estado es seguro O(p2r) S=; Repetir { Buscar Pi no incluido en S tal que N[i]D; Si Encontrado { Reducir por Pi: D = D + A[i] Añadir Pi a S; } } Mientras (Encontrado) Si (S==P) El estado es seguro Si no: El estado no es seguro

37. Estrategia de predicción • Cuando proceso realiza petición de rec. que están disponibles: • Se calcula nuevo estado provisional transformando A y N • Se aplica algoritmo del banquero sobre nuevo estado • Si es seguro, se asignan recursos y nuevo estado se hace permanente • Si no, se bloquea al proceso sin asignarle los recursos y se restaura el estado previo

38. Ejemplo de algoritmo del banquero (1/3) • Estado actual del sistema (es seguro): 1 1 03 0 2 A= 0 1 2 N= 2 2 0 D=[2 1 2] 1 0 01 1 2 • Secuencia de peticiones: • P3 solicita 1 unidad de R3 • P2 solicita 1 unidad de R1

39. Ejemplo de algoritmo del banquero (2/3) • P3 solicita 1 unidad de R3: Nuevo estado provisional 1 1 03 0 2 A= 0 1 2 N= 2 2 0 D=[2 1 1] 1 0 11 1 1 • ¿Estado seguro? • S= • P3: ya que N[3]D D=D+A[3]=[312] S={P3} • P1: ya que N[1]D  D=D+A[1]=[422]S={P3 ,P1} • P2: ya que N[2]DD=D+A[2]=[434]S={P3,P1,P2} Se acepta petición: estado provisional  estado del sistema

40. Ejemplo de algoritmo del banquero (3/3) • P2 solicita 1 unidad de R1: Nuevo estado provisional 1 1 03 0 2 A= 1 1 2 N= 1 2 0 D=[1 1 1] 1 0 11 1 1 • ¿Estado seguro? • S= • P3: ya que N[3]D D=D+A[3]=[212] S={P3} • No hay Pi tal que N[i]D Estado inseguro No se acepta petición: Se bloquea al proceso y se restaura estado del sistema

41. Limitaciones de estrategias de predicción • Conocimiento a priori de necesidades máximas • Difícil de obtener • Basado en peor caso posible • Necesidades máximas no expresan uso real de recursos • Infrautilización de recursos • Niegan uso de recurso aunque esté libre

42. Tratamiento del interbloqueo en los SS.OO. • Mayoría lo ignora o no da una solución general • Distinción entre dos tipos de recursos: • Recursos internos (propios del S.O.) • Usados por un proceso en modo sistema • Uso restringido a ejecución de una llamada • Ej. semáforo interno para acceder a t. de procesos o buffer • Interbloqueo puede causar colapso del sistema • Recursos de usuario • Usados por un proceso en modo usuario • Uso durante tiempo impredecible • Ej. dispositivo dedicado o semáforo de aplicación • Interbloqueo afecta a procesos y recursos involucrados

43. Tratamiento del interbloqueo en los SS.OO. • Tratamiento de recursos internos • Código del S.O. es algo que apenas se modifica • Se puede estudiar a priori uso de recursos • Interbloqueo  error de programación de S.O. • Uso de estrategias de prevención es adecuado • Dado que tiempo de uso es breve y acotado • Tratamiento de recursos de usuario • Código de procesos que usan recursos es impredecible • No hay tratamiento general para todos los recursos • Prevención  Infrautilización • Predicción  Dificultad de conocer información a priori • Detección y recuperación  Demasiada sobrecarga • Puede usarse para un único recurso • P.ej. En 4.4BSD se usa para cerrojos sobre archivos