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INTRODUÇÃO À ORGANIZAÇÃO DE COMPUTADORES E SISTEMAS OPERACIONAIS

VIVIANE LUCY

Sistema OperacionalSincronização e Comunicação

entre Processos

WebDesign Redes de Computadores

Aula10_1


VIVIANE LUCY

Introdução• Os processos concorrentes compartilham recursos do

sistema (arquivos, registros, dispositivos de E/S e áreas de memória).

• O compartilhamento de recursos pode causar situações indesejáveis que podem comprometer a execução das aplicações.

• O sistema operacional oferece mecanismos para sincronização entre os processos concorrentes com o objetivo de garantir o processamento correto dos programas.


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Introdução• Exemplo:

Dado

Sincronização

gravação Leitura

Buffer

Processo gravador

Processo Leitor


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Introdução• Os dois processos compartilham um buffer para trocar

informações.

• Um processo só poderá gravar dados no buffer se o mesmo não estiver cheio.

• Um processo só poderá ler dados no buffer caso haja algum dado a ser lido.

• Os processos deverão aguardar até que o buffer esteja pronto para as operações, seja de gravação, seja de leitura.


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Problemas de compartilhamento de recursos

• Exemplo 1: Compartilhamento de um arquivo em disco

• Suponha que temos um programa Conta_Corrente que atualiza o saldo bancário de um cliente após o lançamento de débito ou crédito no arquivo de contas correntes Arq_Contas.

• No arquivo Arq_Contas são armazenados os saldos de todos os correntistas do banco.


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• Exemplo 1: Compartilhamento de um arquivo em disco

• O programa lê o registro do cliente no arquivo (Reg_Cliente), lê o valor a ser depositado ou retirado (Valor_Dep_Ret) e, em seguida, atualiza o saldo no arquivo de contas.


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• Exemplo 1: Compartilhamento de um arquivo em discoPROGRAM Conta_Corrente;

.

.

READ(Arq_Contas, Reg_Cliente);

READLN(Valor_Dep_Ret);

Reg_Cliente . Saldo : = Reg_Cliente . Saldo + Valor_Dep_Ret;

WRITE(Arq_Contas, Reg_Cliente);

.

.

END.


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• Considere dois processos concorrentes que pertencem a dois funcionários do banco que atualizam o saldo de um mesmo cliente simultaneamente.

• Analisemos a situação seguinte:


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Caixa Instrução Saldo arquivo Valor dep/ret Saldo memória

1 READ 1.000 * 1.000

1 READLN 1.000 -200 1.000

1 := 1.000 -200 800

2 READ 1.000 * 1.000

2 READLN 1.000 300 1.000

2 := 1.000 300 1.300

1 WRITE 800 -200 800

2 WRITE 1.300 300 1.300

Ao final teríamos um saldo de R$1300,00 ao invés de R$1100,00


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• Exemplo 2: Compartilhamento de variável entre dois processos

• Suponha que o processo A some 1 à variável X e o processo B diminua 1 da mesma variável que está sendo compartilhada.

• Inicialmente a variável X possui o valor 2.

• O resultado final de X após a execução dos processos A e B deveria continuar sendo 2.


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Processo A Processo B

LOAD X, Ra LOAD X, Rb

ADD 1, Ra ADD 1, Rb

STORE Ra, X STORE Rb, X


Processo A Processo B

X := X + 1 X := X - 1


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Processo Instrução X Ra Rb

A LOAD X. Ra 2 2 *

A ADD 1, Ra 2 3 *

B LOAD X. Rb 2 * 2

B SUB 1, Rb 2 * 1

A STORE Ra, X 3 3 *

B STORE Rb, X 1 * 1


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• Situações onde dois ou mais processos estão lendo ou escrevendo algum dado compartilhado e cujos resultados finais dependem das informações de quem e quando executa precisamente são chamadas – condições de disputa.

• Devem existir mecanismos de controle para evitar esses tipos de problemas.


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Exclusão Mútua• Solução simples:

• Se um processo estiver utilizando um dado recurso, os demais processos que queiram utilizá-los deverão esperar pelo término da utilização do recurso.

• Essa idéia de exclusividade de acesso é chamada de exclusão mútua.


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Exclusão Mútua• A exclusão mútua afeta os processos concorrentes

quando um deles estiver fazendo acesso ao recurso compartilhado.

• A parte do programa onde é feito o acesso ao recurso compartilhado é denominada região crítica.

• A execução mutuamente exclusiva, onde dois processos não acessam um recurso compartilhado ao mesmo tempo, evita os problemas de compartilhamento de recursos.


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Exclusão Mútua

Processo A

Processo B

A entra na região crítica

B tenta entrar na região crítica

A deixa região crítica

B entra na região crítica

B deixa a região crítica

B bloqueado

TempoT1 T2 T3 T4


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Exclusão Mútua• Os mecanismos que implementam a exclusão mútua

utilizam protocolos de acesso à região crítica.

• Protocolo de entrada – Quando o processo deseja executar instruções na região crítica.

• Protocolo de saída – Quando o processo sai da região crítica. BEGIN

.

.

Entra_Região_Crítica ; (*Protocolo de entrada*)

Região_Crítica;

Sai_Região_Crítica; (* Protocolo de saída*)

.

.

END.


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Situação indesejável• Espera indefinida – É a situação em que um processo

nunca consegue executar sua região crítica, e consequentemente, acessar o recurso compartilhado.

• Quando um recurso é liberado, o S.O. escolhe (aleatoriamente ou baseado em prioridade) um processo, dentre aqueles que aguardam pelo uso do recurso.

• Ambos os critérios de escolha do processo que acessará o recurso, não garantem que um processo conseguirá acessar o recurso. A espera indefinida pode ocorrer.


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Situação indesejável• Para impedir este tipo de situação, cria-se filas (FIFOs)

de pedidos de alocação para cada recurso.

• Sempre que um processo solicita um recurso o pedido é colocado no final da fila associada ao recurso.

• Quando o recurso é liberado, o sistema seleciona o primeiro da fila.


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Garantia de exclusão mútua• Diversas soluções foram propostas para garantir a

exclusão mútua de processos concorrentes.

• Soluções de hardware

• Soluções de software

• Cada proposta tem seus próprios benefícios e problemas.


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Solução de Hardware• Desabilitação de interrupções

• A mudança de contexto (troca do processo que utilizará a CPU) é realizada através de interrupções.

• Na troca de processos, a ocorrência de uma interrupção faz com que o processador salve o contexto de hardware do processo que será interrompido e carregue o contexto de hardware do processo que iniciará sua execução.


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• A solução mais simples para o problema da exclusão mútua é fazer com que o processo desabilite todas as interrupções antes de entrar na região crítica e habilite novamente as interrupções ao sair da região crítica.

• Desta forma, com as interrupções desabilitadas, não poderá haver mudança de contexto, o processo que as desabilitou terá acesso exclusivo garantido.


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BEGIN

.

.

Desabilita_Interrupcoes;

Regiao_Critica;

Habilita_Interrrupcoes;

.

.

END.


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• Problema:

• Esta solução apesar de simples, apresenta algumas limitações.

• A multiprogramação (baseada nas interrupções) poderia ficar seriamente comprometida.

• Se um processo desabilitasse as interrupções e não as habilitasse depois. O processo monopolizaria o processador.


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Soluções de Hardware• Solução 2: Instrução test-and-set

• Alguns processadores possuem uma instrução especial test_and_set que tem a função de ler uma variável, armazenar seu conteúdo em uma outra área e atribuir um novo valor à mesma variável.

• Exemplo: test-and-set(X,Y);

• A instrução acima, quando executada o valor lógico da variável Y é copiado para X, sendo atribuído à variável Y o valor lógico verdadeiro.


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Soluções de Hardware• Solução 2: Instrução test-and-set

• Para coordenar o uso do recurso, a instrução test-and-set utiliza uma variável lógica global. Quando esta variável for falsa, qualquer processo poderá alterar o seu valor para verdadeiro, através da instrução test-and-set e, assim, acessar o recurso de forma exclusiva.

• Ao terminar o acesso, o processo deve, simplesmente retornar o valor da variável para falso, liberando o acesso ao recurso.


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void process_A(void) { bool pode_A;

while(1) { pode_A = 1; // Pode_A recebe 1 While( pode_A) // while Pode_A for igual a 1 Test_and_Set ( Pode_A, Bloqueio); Regiao_Critica_A; //entra na região critica_A Bloqueio = false; //libera regiao critica }

void process_B(void) { bool pode_B;

while(1) { pode_B = 1; // Pode_B recebe 1 While( pode_B) // while Pode_B for igual a 1 Test_and_Set ( Pode_B, Bloqueio); Regiao_Critica_B; //entra na região critica_B Bloqueio = false; //libera regiao critica }

int main (void){bool bloqueio = 0; process_A(); process_B();}


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Soluções de Hardware• O uso de uma instrução especial tem a vantagem da

simplicidade de implementação.

• Mas tem como desvantagem a possibilidade da espera indefinida, pois a seleção do processo que acessará o recurso é feita de forma arbitrária.


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Soluções de Software• Solução 1: Variáveis de impedimento ( lock variables)

• Considere que há uma única variável compartilhada (lock), inicialmente contendo o valor 0.

• Para entrar em sua região crítica, o processo testa antes se há impedimento, verificando o valor da variável lock.

• Se lock for 0, o processo altera essa variável para 1 e entra na região crítica.

• Se lock já estiver com valor 1 o processo aguardará até que ela se torne 0.


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Soluções de Software• Solução 1: Variáveis de impedimento

Processo Ação Variável

A Lê lock 0

B Lê lock 0

B Modifica valor de lock e entra na região crítica

1

A Modifica valor de lock e entra na região crítica

1

Problema: Os dois conseguiram entrar na região crítica


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Soluções de Software• Solução 2: Alternância obrigatória

• Um variável determina de quem é a vez de acessar a região crítica.

• Os processos alternam no acesso ao recurso.

while(TRUE){

while(vez != 0); //laço

critical_region();

vez = 1;

non critical_region();

}

while(TRUE){

while(vez != 1); //laço

critical_region();

vez = 0;

non critical_region();

}

Processo 0 Processo 1


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Soluções de Software• Solução 2: Alternância obrigatória

• A variável vez determina de quem é a vez de acessar a região crítica.

• Se vez = 0 o processo 0 acessa a região crítica. Após acessar a região, o processo 0 cede a vez para o processo 1 fazendo a variável vez = 1.


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Soluções de Software• Problema:

• Se o processo 0 termina a sua região não crítica e volta ao início do laço. A ele não será permitido entrar em sua região crítica agora, pois a variável vez está em 1 e o processo 1 está ocupado na sua região não crítica.

• Ele fica preso em seu processo while até que o processo 1 coloque a variável vez para 0.

• Conclusão: Alternar a vez não é uma boa idéia quando um processo for muito mais lento do que o outro.


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Soluções de Software• Solução 3: Algoritmo de Peterson

• Os algoritmos evoluíram e chegamos ao algoritmo de Peterson que apresenta uma solução para o problema da exclusão mútua entre dois processos e que pode ser generalizada para o caso de n processos.

• Nesse algoritmo, há mais uma variável “Vez” para resolver o conflito gerado pela concorrência.


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void process_A(void){while(1){ CA = 1; vez = ‘B’; while ( CB = 1 and vez = ‘B’); Regiao_critica_A; CA = 0; Regiao_nao_critica_A(); }void process_B(void){while(1){ CB = 1; Vez = ‘A’; while ( CA = 1 and vez = ‘A’); Regiao_critica_B; CB = 0; Regiao_nao_critica_B(); }

void main(void){bool CA, CB;char vez; CA := 0;CB := 1;

while(1){ process_A(); process_B(); }}


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Soluções de Software• Apesar de todas as soluções até então apresentadas,

implementarem a exclusão mútua. Elas apresentam um inconveniente, conhecido como espera ocupada.

• Na espera ocupada, toda vez que um processo não conseguir entrar na região crítica , por já existir outro processo acessando o recurso, o processo permanece em loop, testando uma condição até que lhe seja permitido o acesso.

• Desta forma, o processo em looping consome tempo do processador desnecessariamente, podendo degradar o desempenho.

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