Concurrencia de Procesos

Dos o mas procesos, se dice que son concurrentes o paralelos, cuando se ejecutan al mismo tiempo. Esta concurrencia puede darse en un sistema con un solo procesador (pseudo paralelismo) o en un sistema multiprocesador (paralelismo real).

Para que la concurrencia exista entre 2 procesos, es necesario que estos tengan algún tipo de relación. La concurrencia puede presentarse en tres contextos:

1. Varias aplicaciones: La multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varios trabajos o aplicaciones activas.

2. Aplicaciones estructuradas: Como ampliación de los principios del diseño modular y la programación estructurada, algunas aplicaciones pueden implementarse eficazmente como un conjunto de procesos concurrentes.

3. Estructura del sistema operativo: Las mismas ventajas de estructuración son aplicables a los programadores de sistemas y se ha comprobado que algunos sistemas operativos están implementados como un conjunto de procesos.

Razones para la ejecución de procesos concurrentes en un sistema:• Facilita la programación de aplicaciones al permitir que éstas se estructuren como un

conjunto de procesos que cooperan entre sí para alcanzar un objetivo común.• Acelera los cálculos. Si se quiere que una tarea se ejecute con mayor rapidez, lo que se

puede hacer es dividirla en procesos, cada uno de los cuales se ejecuta en paralelo con los demás.

• Posibilita el uso interactivo a múltiples usuarios que trabajan de forma simultánea. • Permite un mejor aprovechamiento de los recursos, en especial de la CPU, ya que pueden

aprovechar las fases de entrada-salida de unos procesos para realizar las fases de procesamiento de otros.

Desventajas de la concurrencia de procesos:• Inanición e interrupción de procesos • Ocurrencia de bloqueos • Que dos o mas procesos requieran el mismo recurso (No apropiativo)

Tipos de procesos concurrentes:

Proceso independiente: Es aquel que ejecuta sin requerir la ayuda o cooperación de otros procesos. Un claro ejemplo de procesos independientes son los diferentes shells que se ejecutan de forma simultánea en un sistema.

Procesos son cooperantes: Son aquellos que están diseñados para trabajar conjuntamente en alguna actividad, para lo que deben ser capaces de comunicarse e interactuar entre ellos. En ambos tipos de procesos (independientes y cooperantes), puede producirse una serie de interacciones entre ellos y pueden ser de dos tipos:

• Interacciones motivadas porque los procesos comparten o compiten por el acceso a recursos físicos o lógicos. Por ejemplo, dos procesos independientes compiten por el acceso a disco o para modificar una base de datos.

• • Interacción motivada porque los procesos se comunican y sincronizan entre sí para alcanzar un objetivo común, Por ejemplo, un compilador que tiene varios procesos que

trabajan conjuntamente para obtener un solo archivo de salida.

Los elementos que se deben gestionar y diseñar a causa de la concurrencia son:

1. El sistema operativo debe ser capaz de seguir la pista de los distintos procesos activos. Esto lo hace por medio de PCB’s (Bloque de Control de Procesos)

2. El sistema operativo debe asignar y quitar los distintos recursos a cada proceso activo. Entre estos recursos se incluyen:

• Tiempo de procesador: Es función de la planificación.

• Memoria: La mayoría de los sistemas operativos emplean esquemas de memoria virtual.

• Archivos

• Dispositivos de E/S

3. El sistema operativo debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias no intencionadas de otros procesos.

4. Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad relativa a la que se realiza la ejecución con respecto a otros procesos concurrentes.

Competencia entre procesos por los recursos

Los procesos concurrentes entran en conflicto cuando compiten por el uso del mismo recurso, es decir, quieren acceder a un recurso al mismo tiempo. Y la ejecución de un proceso puede influir en el comportamiento de los procesos que compiten y el sistema operativo le asignará el recurso a uno de ellos y el otro tendrá que esperar. Por lo que el proceso que quede esperando, se retrasará, se bloqueara y en el peor de los casos nunca se terminará con éxito.

Exclusión Mutua

La exclusión mutua consiste en asegurar que los recursos no compartidos

sean accedidos por un único proceso a la vez.

Región Critica

Las secciones críticas o regiones críticas son fragmentos de programa que

acceden a recursos no compartidos. Si dos procesos no están nunca en sus

secciones críticas al mismo tiempo, se evita que haya conflicto entre estos por el recurso.

Requisitos para la exclusión mutua:

El uso adecuado de la concurrencia entre procesos exige la capacidad de definir secciones críticas y hacer cumplir la exclusión mutua. Esto es fundamental para cualquier esquema de proceso concurrente. Cualquier servicio o capacidad que dé soporte para la exclusión mutua debe cumplir los requisitos siguientes:

1. Solo un proceso, de entre todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso u objeto compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un instante dado.

2. Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin estorbar a los otros procesos.

3. Un proceso no debe poder solicitar acceso a una sección crítica para después ser demorado indefinidamente; no puede permitirse el interbloqueo o la inanición.

4. Cuando ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin dilación.

5. No se pueden hacer suposiciones sobre la velocidad relativa de los procesos o su número.

6. Un proceso permanece en su sección crítica solo por un tiempo finito.

Soluciones a la exclusión mutua

Soluciones por Software:

Una manera es dejar la responsabilidad a los procesos que deseen ejecutar concurrentemente, de esta manera los procesos deben coordinarse unos con otros para cumplir la exclusión mutua sin ayuda alguna, aunque estas soluciones son propensas a errores y a una fuerte carga de proceso. Entre estas soluciones podemos encontrar:

• Algoritmo de Dekker

• Algoritmo de Peterson

Soluciones por Hardware:

Propone el uso de instrucciones de la máquina a tal efecto, estas tienen la ventaja de reducir la sobrecarga.

Soporte al Sistema Operativo:

Entre estos métodos se encuentran los semáforos, monitores, paso de mensajes, etc.

Algoritmos de Dekker

Dekker 1Problema: Sincronizacion forzada.

Alternancia estrica, los procesos lentos atrazan a los rapidos.

Program 1var

entera: turno = 1

Proceso 1repeat

Hace_cosas()while turno = 2 do{

null;}region_critica()turno = 2hace_mas_cosas()

until fin

Dekker 2Problema: Interbloqueo. ambos

procesos entran en un mismo estado y nunca salen.

Program 2

varbool: P1QE = falsebool: P2QE = false

proceso 1repeat

hace_cosas()P1QE = truewhile P2QE = true do{

null;}region_critica()P1QE = falsehace_mas_cosas()

until fin

Dekker 3Problema: No garantiza la exclusion

mutua. Ambos entran al mismo tiempo a la region critica.program 3

var

bool: P1EA = falsebool: P2EA = false

proceso 1repeat

hace_cosas()while P2EA = true do{

null;}P1EA = trueregion_critica()P1EA = falsehace_mas_cosas()

until fin

Dekker 4Problema: Postergacion indefinida. Se

queda esperando un evento que probablemente nunca suceda.

program 4var

bool: P1QE = falsebool: P1QE = false

proceso 1repeat

hace_cosas()P1QE = truewhile P2QE = true do{

P1QE = falsedelay(Quantum)P1QE = true

}region_critica()P1QE = falsehacer_mas_cosas()

until fin

Dekker 5

Program 5 var entero: turno = 1 proceso 1 repeat hace_cosas() P1QE = true while p2QE = true do{ if turno = 2 then{ P1QE = false delay(random) P1QE = true } } region_critica() P1QE = false turno = 2 hace_mas_cosas() until fin

Resumen Dekker

Dekker 1…..While turno = 2 do {}Region_critica()Turno = 2…..

Dekker 2

…..P1QE = trueWhile P2QE do {}Region_critica()P1QE = false….

Dekker 3…..While P2EA do {}P1EA = trueRegion_critica()P1EA = false…..

Dekker 4P1QE = trueWhile P2QE do {P1QE = falseDelay(random)P1QE = true}Region_critica()P1QE = false…..

Dekker 5P1QE = trueWhile P2QE do{

If(turno = 2){P1QE = falseDelay(random)P1QE = true}

}Region_critica()P1QE = falseTurno = 2

Referencias

http://wwwdi.ujaen.es/~lina/TemasSO/port5.html [Pagina muy completa acerca de la concurrencia y las diferentes soluciones, muy intuitiva y ordenada]

http://www.mitecnologico.com/Main/ConcurrenciaYSecuenciabilidad [Informacion detallada de la concurrencia, los tipos de concurrencias, las ventajas y desventajas]

http://www.mitecnologico.com/Main/ExclusionMutuaSeccionesCriticas [Explicacion detallada de la exclusión mutua]