Sincronización de Procesos

Semáforos

Emely Arráiz

Ene-Mar 08

Conceptos Herramienta de sincronización (provista por el

SO).

Un semáforo S es una variable de tipo entero, que

además de ser inicializada.

Puede ser accedida a través de dos operaciones

atómicas y mutuamente excluyentes

– wait(S) o P(S) o down(S)

– signal(S) o V(S) o up(S) Para evitar busy-waiting, cuando un procesos

tiene que esperar, se pondra en una cola de procesos bloqueados esperando un evento.

Conceptos

Semáforo puede ser implementado como una estructura con dos campos– count : integer– queue: list of processes

Cuando un proceso debe esperar por un semáforo S, el es bloqueado (block() ) y colocado en la cola del semaforo.

La operación de signal remueve (wakeup() )un proceso desde la cola y lo coloca en la lista de procesos ready.

Semáforos binarios y

semáforos generales

• Semáforo binario – Solo puede tener dos valores, 0 y 1, y es la forma más común de semáforo.• Semáforo general – Son semáforos que pueden tomar muchos valores positivos.

Semáforos

type semaphore = record count: integer; queue: list of process end; var S: semaphore;• Cuando un proceso debe esperar a un semáforo S, se bloquea y se pone en la cola del semáforo S.• La operación signal quita (con la política FIFO) un proceso de la cola y lo pone en la cola de procesos listos.

Observaciones de Semaforos (Negativos)

• Si S.count >=0 – El número de procesos que pueden ejecutar wait(S) sin que se bloqueen = S.count• Si S.count<0 – el número de procesos que están esperando en S es = S.count|

Semáforos sin busy-waiting wait(S): S.count- -; if (S.count < 0) { colocar este proceso en S.queue block este proceso (block), o sleep el proceso { signal(S): S.count++; if (S.count < = 0){ remover el proceso de la cola colocar este proceso en lista de ready (wakeup(P)) }La magnitud del valor negativo es el numero de procesos en

waiting.

Operaciones

Atomicidad y exclusión mutua implica que dos procesos NO pueden estar en wait(S) y signal(S) al mismo tiempo sobre el mismo S.

Los bloques de código definidos por wait (S) y signal (S) son secciones críticas.

Las secciones críticas definidas por wait (S) y signal (S) son muy cortas, típicamente 10 instrucciones.

Exclusión Mutua

N procesos. S inicializado en 1. Un solo proceso le es permitido entrar en la SC. Proceso Pi:

repeat

wait(S)

SC

signal(S)

RS

until false

Sincronización Sea P1 y P2 dos procesos. La instr. S1 de P1

necesita ser ejecutada antes que la instr. S2 de P2.

Definimos un semáforo synch, el cual inicializamos en cero. synch=0

La sincronización la obtenemos

P1: S1;

signal(synch);

P2: wait(synch);

S2;

Synchronizing with SemaphoresSynchronizing with Semaphores

Mutual Exclusion:Mutual Exclusion: wait(mutex);

critical section signal(mutex);

Synchronization:Synchronization:

requirement: S2 executed after S1 is completed

Synch = 0P1: S1; P2: wait(Synch);(Synch);

signal(Synch);(Synch); S2;

deadlocks with Semaphores...deadlocks with Semaphores...

Two processes p0 and p1

Two semaphores QQ and SS

p0 : p1:

wait(S);(S); wait(Q);wait(Q);

wait(Q);wait(Q); wait(S);wait(S);

…….. …..…..

signal(S);signal(S); signal(Q);signal(Q);

signal(Q);signal(Q); signal(S);signal(S);

p0 does the first line, then p1 and so

on...

More on Synchronization...More on Synchronization...

Three processes p1; p2; p3

semaphores s1 = 1, s2 = 0s1 = 1, s2 = 0;

p1p1 p2p2 p3p3wait(s1s1); wait(s2s2); wait(s2s2);.. code .. .. code .. .. code ..signal(s2s2); signal(s2s2); signal(s1s1);

the ordering of the processes is the ordering of the processes is ((p1(p2*(p3)))*p1(p2*(p3)))*

What’s wrong with busy waitingWhat’s wrong with busy waiting

Wastes cpu time by waitingSide effects:

Two processes with different priorities arrive at their critical section in an order inverse to their priorities

The higher priority process gets time-slicesThe lower priority process cannot complete its

processing of its critical section and leave !Priority Inversion

Semaforos Binarios

Los semaforos que hemos estudiado son llamados contadores o enteros.

Tenemos tambien semáforos binarios.– Similar a los anteriores solo que count tiene valor

boolean

Spinlocks

Son semáforos enteros que usan busy waiting, en lugar de blocking.

Util sobre multiprocesadores ….. Se gasta tiempo de CPU pero salvamos switch

entre procesos

wait(S): S--;

while S< 0 do{}

signal(S): S++;

Problemas Clásicos. Sincronización

Bounded- Buffer

Readers and Writers

Dining - philosophers

Bounded - BufferN :buffer de un items cada uno.mutex :semáforo inicializado en 1.Full : semáforo inicializado en 0. (contador)Empty : semáforo inicializado en N. (contador)

La estructura del proceso

Productor while (TRUE) { (Obs: el productor por Empty >0 produce item; para poder anadir items. wait(Empty); wait(mutex); añade item al buffer; signal(mutex); signal(Full); }

Bounded- Buffer (cont)

La estructura del proceso

consumidor

while (TRUE) { (Obs: El consumidor espera por Full>0)

wait(Full);

wait(mutex);

remueve item del buffer;

signal(mutex);

signal(Empty);

consume item;

}

Readers - Writers

Data es compartida entre diferentes procesos concurrentes.

Lectores: leen solamente. No ejecutan modificaciones.

Escritores: leen y escriben

Problema: permitir múltiples lectores pero solamente un escritor.

Procesos lectores nunca esperan a menos que un escritor esté en su

sección crítica.

Data compartida

Conjunto de datos.

mutex :semáforo inicializado en 1.

wrt : semáforo inicializado en 1.

readcount : entero inicializado 0.

Readers-Writers (cont.)

Writer[1..n]

La estructura del proceso

escritor

while (TRUE) {

wait(wrt);

escribo;

signal(wrt);

}

Readers-Writers (cont.)

La estructura del proceso. Reader[1..m]

lector

while (TRUE) {

wait(mutex);

readcount++;

if (readcount == 1) wait(wrt);

signal(mutex);

ejecuta lectura;

wait(mutex);

readcount-- ;

if (readcount == 0) signal(wrt);

signal(mutex);

}

Dining Philosophers

Clásico Problema de Sincronización.

Datos compartidos 1 bowl de Rice semaforos tenedor[5] inicializado 1

1 semaforo

5

4

3

Problema

Cada filósofo es un proceso. Un semáforo por tenedor

fork: array[0..4] of semáfores.

Para todo i inicializar fork[i].count=1

Filósofos - Solución

Process Pi repeat think; wait(fork[i]); wait(fork[(i+1) mod 5]); eat; signal(fork[(i+1) mod 5]); signal(fork[i]); until false

Problema : Deadlock

Filósofos - Solución#define N 5#define RIGHT(i) (((i)+1) %N)#define LEFT(i) (((i)== N) ? 0 : (i)+1)

Typedef enum { THINKING, HUNGRY, EATING } phil_state;phil_state state [N] ;Semaphore mutex = 1;Semaphore s [N] ;

void test (int i) { if (state [i] == HUNGRY && state [LEFT(i)] != EATING && state [RIGHT(i)] != EATING ) { state [i] == EATING; signal(s[i]); }}

void get_forks(int i) { wait(mutex); state [i] == HUNGRY; test(i); signal(mutex); wait(s[i]);}

Filósofos – Solución (cont.) void put_forks(int i) { wait(mutex); state [i] == THINKING; test(LEFT(i)); test(RIGHT(i)); signal(mutex);}

void philosopher(int i) { while(1) { think(); get_forks(process); eat(); put_forks(process); }}

Problemas con Semáforos

Semáforos son herramientas poderosas para exclusión mutua y coordinación de procesos.

Difícil entender sus efectos cuando los wait(S) y signal(S) están esparcidos entre varios procesadores.

Uso debe ser correcto en todos los procesadores. Es fácil cometer errores en la programación de los semáforos

El tiempo durante el cual un proceso está bloqueado en un semáforo no está limitado.