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PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN
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PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN

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  1. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Filósofos Comensales ( Dijkstra, 1965 ) • Cinco filósofos pasan la vida pensando y comiendo • Cuando un filósofo piensa, no interactúa con sus colegas • Cuando tiene hambre, toma los dos palillos al mismo tiempo y come sin soltarlos • Cuando termina de comer, coloca los dos palillos sobre la mesa y comienza a pensar

  2. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Filósofos Comensales ( Dijkstra, 1965 ) • Necesidad de asignar varios recursos entre varios procesos sin que haya bloqueos mutuos ni inanición Primera Solución • Representar cada palillo con un semáforo • Un filósofo trata de tomar un palillo ejecutando una operación espera con ese semáforo, y suelta sus palillos ejecutando la operación señal con los semáforos apropiados. var palillo: array [0..4] of semáforo; • Inicialmente todos los elementos de palillo están en 1

  3. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Filósofos Comensales ( Dijkstra, 1965 ) Primera Solución • Garantiza que dos vecinos no estarán comiendo simultáneamente • Posibilidad de bloqueo mutuo • Suponga que los cinco filósofos sienten hambre simultáneamente y cada uno toma su palillo izquierdo

  4. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Filósofos Comensales ( Dijkstra, 1965 ) Posibles soluciones al problema de bloqueos Permitir que como máximo filósofos se sienten a la mesa cuatro filósofos Sólo permitir que un filósofo tome sus palillos si ambos están disponibles ( dentro de la sección crítica ) Solución asimétrica  Un filósofo impar toma primero su palillo izquierdo y luego el derecho, mientras que un filósofo par toma primero su palillo derecho y luego el izquierdo.

  5. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Filósofos Comensales ( Dijkstra, 1965 ) Cualquier solución satisfactoria deberá evitar la posibilidad que uno de los filósofos muera de hambre. Una solución libre de bloqueos mutuos no elimina necesariamente la posibilidad de inanición Solución por monitores Distinguir entre los tres estados en los que podría estar un filósofo  Pensando, hambriento y comiendo Definir el estado del mismo filósofo

  6. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Lector Lector Escritor Lector Escritor Recurso Lectores y Escritores ( Courtois et al., 1971) Existe un determinado objeto que se va a ser utilizado y compartido por una serie de procesos concurrentes.

  7. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Lectores y Escritores ( Courtois et al., 1971) • Un objeto se va a compartir entre varios usuarios, algunos solo quieren leer el contenido ( lectores ), otros quieren actualizarlo (escritores) Restricciones • Sólo se permite que un escritor tenga acceso al objeto al mismo tiempo. Mientras el escritor esté accediendo al objeto, ningún otro proceso lector ni escritor podrá acceder a él. • Se permite que múltiples lectores tengan acceso al objeto, ya que ellos nunca van a modificar el contenido del mismo

  8. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Lectores y Escritores ( Courtois et al., 1971) • Primer Problema : No se debe tener a ningún lector en espera a menos que el escritor tenga el permiso del uso del objeto • Segundo Problema : Si un escritor está esperando acceder al objeto, ningún otro lector puede comenzar a leer. Sol/ Definir prioridades a lectores y escritores • Utilizado para probrar las primitivas de sincronización nuevas

  9. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Proceso Productor Proceso Consumidor Flujo de datos Mecanismo de Comunicación Productor – Consumidor ( Buffer limitado ) Uno o más procesos, que se denominan productores, generan cierto tipo de datos que son utilizados por otros procesos que se denominan consumidores

  10. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Productor – Consumidor ( Buffer limitado ) Mecanismo de Comunicación • Cuando se llene  Productor bloqueado • Cuando esté vacío  Consumidor bloqueado • Buffer • Solución  Semáforos Valor máximo  Tamaño del buffer Valor mínimo  Cero

  11. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Productor – Consumidor ( Buffer limitado ) int N = 100; /*Número máximo en el buffer*/ int count = 0; /*Número de elementos en el buffer*/ void productor( ){ if (buffer == lleno) then dormir(); else { añadir nuevo elemento a la lista; incrementar count; verificar estado consumidor; } }

  12. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Productor -- Consumidor ( Buffer limitado ) void consumidor( ){ if (buffer == vacío) then dormir(); else { eliminar elemento de la lista; decrementar count; verificar estado productor; } }

  13. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Barbero Dormilón La peluquería tiene : • Un barbero • Una silla de barbero • n sillas para los clientes

  14. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Barbero Dormilón No hay clientes presentes  El barbero se sienta en la silla de barbero y se duerme Cuando llega un cliente, debe despertar al barbero Si llegan más clientes mientras el barbero está atendiendo a un cliente, se sientan (si hay sillas vacías), o bien, salen de la peluquería (si todas las sillas está ocupadas) Problema : Programar al barbero y a los clientes sin caer en condiciones de competencia

  15. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Barbero Dormilón

  16. PROBLEMAS CLÁSICOS DE SINCRONIZACIÓN Y COMUNICACIÓN Barbero Dormilón

  17. BLOQUEOS MUTUOS Entorno multiprogramación  Varios procesos pueden competir por un número finito de recursos Proceso solicita un recurso • No está disponible  Espera • Puede que no cambie de estado  Los recursos solicitados están en manos de otros procesos que también están en espera Interbloqueo • Problema similar  Inanición, aplazamiento indefinido o bloqueo indefinido

  18. BLOQUEOS MUTUOS Modelado del Sistema Un sistema se componen de un conjunto finito de recursos (unidades de cinta, impresoras, CPU, etc..) Procesos compiten por los recursos Si el sistema tiene por dos CPU, se dice que tiene dos ejemplares Todos los S.O deben otorgar a un proceso (en forma temporal) acceso exclusivo a ciertos recursos.

  19. BLOQUEOS MUTUOS Ejemplo Suponga que dos procesos quieren quemar un documento digitalizado en un CD. Proceso A solicita autorización para usar el escáner y se le concede. Proceso B solicita primero el quemador de CD y también se le concede. Ahora A, pide el quemador de CD, pero se le niega porque B no lo ha liberado B solicita el escáner, pero sin liberar el quemador de CD. PROCESOS A Y B ESTÁN BLOQUEADOS

  20. BLOQUEOS MUTUOS Secuencia de uso de recursos • Solicitud • Uso Llamadas al Sistema • Liberación El recurso no está disponible cuando se solicita • El proceso solicitante debe esperar • En algunos S.O el proceso se bloquea automáticamente y despierta cuando dicho recurso esté disponible • La solicitud falla y el proceso debe esperar para pedir el recurso.

  21. BLOQUEOS MUTUOS Condiciones para el bloqueo mutuo • Exclusión Mutua • Sólo un proceso podrá usar el recurso • 2.  Retener y esperar • Los procesos que tienen recursos previamente otorgados pueden solicitar otros recursos. • No apropiación • Un recurso no puede ser arrebatado a otro proceso

  22. BLOQUEOS MUTUOS Condiciones para el bloqueo mutuo • Espera circular • Debe existir un conjunto {P0,P1..,Pn} de procesos en espera tal que P0 está esperando un recurso que fué adquirido por P1, P1 está esperando un recurso que fué adquirido por P2,….., Pn-1 está esperando un proceso que fué adquirido por Pn y Pn está esperando un recurso que fué adquirido por P0

  23. BLOQUEOS MUTUOS Modelación de Bloqueos Grafos de Asignación de Recursos Nodos  Procesos y Recursos Arcos De un proceso a un recurso  Solicitud  De un recurso a un proceso  Asignación Ciclos Indica la existencia de un bloqueo

  24. BLOQUEOS MUTUOS Modelación de Bloqueos Ejemplo Procesos  A, B, C Recursos  R, S, T Asignaciones Solicitudes R asignado a A A solicita a S S asignado a B B solicita a T T asignado a C C solicita a R Pregunta. ¿Está bloqueado este sistema y, en tal caso, cuáles son los procesos bloqueados?.

  25. BLOQUEOS MUTUOS Estrategias para enfrentar los Bloqueos • Ignorar todo el problema : Quizá si nos olvidamos de él, él se olvidará de nosotros Algoritmo del Avestruz • Detectar y recuperarse del bloqueo :Dejar que se presenten bloqueos mutuos, detectarlos y tomar medidas • Prevenir el bloqueo :Anular una de las cuatro condiciones necesarias para que haya un bloqueo mutuo • Evitar el bloqueo : Asignación cuidadosa de recursos

  26. BLOQUEOS MUTUOS Algoritmo para detectar un Bloqueo Algoritmo aplicable a cada nodo “N” de la gráfica: 1. Se considera a “N” como nodo inicial. 2. Se inicializan: La estructura de datos “L”como una lista vacía. Todos los arcos como no marcados. 3. Se añade el nodo activo al final de “L” y se verifica si el nodoaparece en “L” dos veces: Si aparece dos veces existe un ciclo y el algoritmo termina. 4. Desde el nodo dado se verifica si existen arcos que salgan de dicho nodo y no estén marcados: En caso afirmativo se va al paso 5. En caso negativo se va al paso 6.

  27. BLOQUEOS MUTUOS Algoritmo para detectar un Bloqueo …Continuación Algoritmo 5. Se elige al azar un arco de salida no marcado y se le marca: Luego se sigue este arco hasta el nuevo nodo activo y se regresa al paso 3. 6. Se ha llegado a un punto donde no se puede continuar: Se regresa al nodo anterior, es decir al que estaba activo antes del actual. Se señala de nuevo como nodo activo. Se va al paso 3. Si este nodo era el nodo inicial, la gráfica no contiene ciclos y el algoritmo termina.

  28. BLOQUEOS MUTUOS Algoritmo para detectar un Bloqueo Ejemplo:Sistema con 7 (siete) procesos (“A” a “G”) y 6 (seis)recursos (“R” a “W”): La posesión de los recursos es la siguiente: El proceso A posee a R y desea a S. El proceso B no posee recurso alguno y desea a T. El proceso C no posee recurso alguno y desea a S. El proceso D posee a U y desea a S y a T. El proceso E posee a T y desea a V. El proceso F posee a W y desea a S. El proceso G posee a V y desea a U. Pregunta : ¿Está bloqueado este sistema y, en tal caso, cuáles son los procesos bloqueados?.

  29. BLOQUEOS MUTUOS Cómo recuperarse de un Bloqueo Estrategias -- Apropiación de Recursos Arrebatar de manera temporal un recurso a su actual poseedor y dárselo a otro proceso. Manualmente La selección del proceso a suspender depende de qué procesos tienen recursos que pueden quitarse con facilidad

  30. BLOQUEOS MUTUOS Cómo recuperarse de un Bloqueo Estrategias – Eliminación de recursos Escoger como víctima un proceso que no se encuentre en el ciclo, a fin de liberar recursos. Eliminar sucesivamente los procesos bloqueados Liberar todos los procesos y recursos

  31. BLOQUEOS MUTUOS Prevenir el Bloqueo Diseñar un sistema donde quede excluida la posibilidad de bloqueo Anular una de las cuatro condiciones necesarias para que haya un bloqueo mutuo Exclusión Mutua Jamás asignar un recurso en forma exclusiva a un solo proceso. Inconveniente  El S.O debe soportar la exclusión mutua. Ejemplo: Escribir en un archivo.

  32. BLOQUEOS MUTUOS Prevenir el Bloqueo Retener y esperar Hacer que los procesos soliciten todos sus recursos antes de comenzar a ejecutarse Inconveniente  Muchos procesos no saben, antes de iniciar se ejecución, cuántos recursos van a necesitar. No hará uso óptimo de los recursos S/ Exigir a un proceso que solicita un recurso que primero libere en forma temporal todos los que tiene.

  33. BLOQUEOS MUTUOS Prevenir el Bloqueo No apropiación Si a un proceso se le niega el uso de un recurso  liberar todos los recursos Espera circular Todo proceso tiene derecho a utilizar un recurso en todo momento. Si necesita un segundo recurso, deberá liberar el primero

  34. BLOQUEOS MUTUOS Prevenir el Bloqueo Espera circular Asignar prioridades a los recursos Ejemplo. Impresora Escáner Graficador Unidad de cinta Unidad de CD Imposible llegar a un ordenamiento que satisfaga a todos

  35. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Bloqueo Mutuo  Cuando un proceso pide recursos, en algún momento pedirá mas. El sistema debe tener la capacidad de distinguir si se puede otorgar sin peligro un recurso o no, y solo efecttuar la asignación si no hay peligro. ¿Hay algún algoritmo que siempre pueda evitar los bloqueos mutuos tomando la decisión correcta todo el tiempo?

  36. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos • Obligar a cada proceso a definir el número máximo de recursos que podría necesitar • Revisar dinámicamente el estado de asignación de recursos • Número de recursos disponibles y asignados • Demandas máximas de los procesos

  37. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Estados Seguros e inseguros El sistema puede asignar recursos a cada proceso  Secuencia segura Bloqueo mutuo  Estado inseguro Algoritmo del Banquero  Dijkstra Cuando un proceso nuevo entra en el sistema, debe declarar el número máximo de recursos que podría necesitar

  38. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Estructuras para implementar el algoritmo n  Número de procesos del Sistema m  Número de recursos Disponible : Vector de longitud m Disponible( j ) = k; Máx: Matriz de n*m  Demanda máxima de cada proceso Máx[ i, j ] = k Asignación : Matriz de n*m  Número de recursos que se han asignado a cada proceso Asignación [ i, j ] = k

  39. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Estructuras para implementar el algoritmo Necesidad: Matriz de n*m  Recursos que todavia le faltan a cada proceso Necesidad[ i ,j ] = k Necesidad[ i, j ] = Máx[ i, j ] - Asignación [ i, j ] = k

  40. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Algoritmo de Seguridad – Un sistema está en estado seguro??? 1. Sean Trabajo y Fin vectores con longitud m y n. Asignar los valoresiniciales Trabajo= Disponible y Fin[i]=false para i = 1, 2, ...,n 2. Buscar un i tal que a. Fin[i] = false, y b. Necesidadi <= Trabajo Si no existe tal i, continuar con el paso 4

  41. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos 3. Trabajo = Trabajo + Asignacióni Fin[i] = true Ir al paso 2 4. Si Fin[i] = true para todo i, el sistema está en un estado seguro

  42. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Algoritmo de Solicitud de Recursos Sea Solicitudiel vector de solicitudes del proceso Pi. Si Solicitudi[j] = k, el proceso Pi quiere k recursos de Rj. Cuando Pi solicita recursos, se hace lo siguiente: 1. Si Solicitudi <= Necesidadi, ir al paso 2. En caso contrario, indicar una condición de error, pues el proceso ha excedido su reserva máxima

  43. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Algoritmo de Solicitud de Recursos 2. Si Solicitudi <= Disponible, ir a paso 3.En caso contrario, Pi deberá esperar, ya que los recursos no están disponibles 3. Hacer que el sistema simule haber asignado al proceso Pi los recursos que solicitó modificando el estado como sigue: Disponible= Disponible – Solicitudi; Asignacióni=Asignacióni+ Solicitudi; Necesidadi = Necesidadi - Solicitudi

  44. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Ejemplo Considere un sistema con cinco procesos, P0 a P4 y tres tipos de recursos A, B y C. El tipo de recursos de A tiene 10 ejemplares, B tiene 5 ejemplares y C tiene 7 ejemplares

  45. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Ejemplo Suponga que, en el instante T0, se tomó la siguiente instantánea del sistema: Necesidad = Máx - Asignación • El sistema está en un estado seguro? • Qué pasa si llega la siguiente • solicitud. Solicitud1 = (1,0,2) • Busque una secuencia de procesos • que satisfaga los criterios de • seguridad.

  46. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Ejemplo Aplicar el algoritmo de solicitud de recursos • Aplicar el algoritmo de seguridad • Qué sucede si llega una solicitud de P4 con (3,3,0)?? • Qué sucede si llega una solicitud de P2 con (0,2,0)??

  47. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Ventajas del Algorimo del Banquero • Ofrece una forma de asignar recursos • Permite la ejecución de tareas que tendrían que esperar en una situación de prevención del bloqueo mutuo Desventajas Requiere un número fijo de recursos asignables No es posible contar que será siempre constante el número de recursos

  48. BLOQUEOS MUTUOS Técnicas para Evitar Bloqueos Desventajas Requiere una población de usuarios constante Multiprogramación El algoritmo necesita que los usuarios declaren por anticipado sus necesidades Asignación de recursos dinámica