2009 1 Sistemas Operacionais aula 4 Threads e Comunicacao entre processos

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Sistemas Operacionais
-Gerência de Processos
Ernesto Massa
(slides fornecidos pela Prentice Hall 
e adaptados para esta disciplina)
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Processos e Threads
Processos
Threads
Comunicação interprocesso
Problemas clássicos de IPC
Escalonamento
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Processos
Multiprogramação 
Como vemos a multiprogramação:
processos sequenciais
independentes
Ocupação real do processador
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Transições de Estado
admissão
escalonamento
espera por evento ou I/O
final de execução
carga
evento ou I/O concluído
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Estados de Processos
Camada mais inferior de um SO em camadas trata interrupções, escalonamento.
Acima desta camada estão os processos sequenciais.
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Processos: Contexto
Implementado através dos “Blocos de Controle de Processos” – (BCP), também chamada de “Tabela de Processos”;
Dividido em três elementos básicos:
Contexto de Software:
Id do Processo;
Descrição dos Arquivos utilizados;
Parâmetros de Escalonamento;
Estado Corrente, etc.
Contexto de Hardware:
Registradores;
Dispositivos alocados, etc.
Espaço de Endereçamento.
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Threads
(a) Três processos cada um com um thread
(b) Um processo com três threads
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Threads
Contexto do Processo
Items compartilhados por todas as threads em um processo
Contexto da Thread
Itens privativos de cada thread
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Threads
Cada thread tem sua própria pilha
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Uso de Threads
Um processador de texto com três threads
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Uso de Thread
Um servidor web com múltiplos threads
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Threads de Usuário
Modelo de pacote de threads de usuário
Vantagem
Velocidade
Desvantagem
Gerenciamento de threads no espaço do usuário
O Bloqueio de uma thread bloqueia todo o processo
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Threads de Núcleo
Modelo de pacote de threads gerenciado pelo kernel
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Threads Pop-Up
Criação de nova thread quando chega uma mensagem
(a) antes da mensagem chegar
(b) depois da mensagem chegar
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Comunicação entre Processos
Processos Independentes.
Não afetam nem são afetados por outros processos.
Processos Cooperados.
Compartilham: 
Memória;
Arquivos;
Dispositivos de E/S;
Etc.
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Comunicação entre Processos
Interprocess Comunication (IPC)
Dois processos querem escrever simultaneamente em uma memória compartilhada
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Condições de Corrida (Disputa)
Condições de Corrida:
Situações onde dois ou mais processos estão acessando dados compartilhados.
O resultado final pode variar de acordo com a ordem de execução.
Mecanismo de Sincronização.
Garante o compartilhamento de recursos e a comunicação entre os processos.
Garante a integridade e a confiabilidade dos dados compartilhados.
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Condições de Corrida
Exemplo 1:
Resultado Final: Contador = 8 (ERRO!)
7
Processo A 7+1
Processo B 7-1
1
7
3
7
6
8
2
4
5
6
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Condições de Corrida
Exemplo 2:
Valor armazenado pelo processo B é perdido.
6
5
4
3
próxima entrada
7
Processo A
Processo B
1
7
suspenso
recebe CPU
2
8
recebe CPU
suspenso
3
7
4
7
5
8
 
6
X
10
Y
9
8
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Condições de Corrida
Região Crítica:
Parte do código onde é feito acesso a recursos compartilhados, e que podem levar a condições de corrida.
Ex: Processo A.
Código normal
Início da Seção Crítica (Protocolo de Entrada)
 	Seção Crítica
Término da Seção Crítica (Protocolo de Saída)
Código normal
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Concorrência em programas
Enquanto um processo estiver usando um recurso, os outros devem aguardar até que o recurso esteja liberado.
Exclusão Mútua.
Exclusividade no acesso a um determinado recurso.
A exclusão mútua deve afetar os processos concorrentes quando um deles estiver em uma região crítica.
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Regiões Críticas
Quatro condições são necessárias para prover exclusão mútua:
Nunca dois processos simultaneamente em uma região crítica 
Nenhuma afirmação pode ser feita sobre velocidades ou números de CPUs
Nenhum processo executando fora de sua região crítica pode bloquear outros processos
Nenhum processo deve esperar eternamente para entrar em sua região crítica
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Regiões Críticas
Exclusão mútua usando regiões críticas
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Soluções de Hardware
Desabilitação das interrupções:
Solução mais simples para a exclusão mútua;
Falha de Proteção:
O processo precisa voltar a habilitar as interrupções.
Não aplicável para múltiplas CPUs.
Este recurso só deve ser permitido ao SO.
Instrução Test-and-Set.
Utilização de uma variável para testar a possibilidade de executar a região crítica.
O teste e o bloqueio é realizado através de uma única instrução (TSL).
O processo impedido de executar sua região crítica executa um loop de espera.
Gasto de CPU.
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Soluções de Software
Em geral, as soluções por software resolvem a exclusão mútua, mas geram a espera ocupada (Busy Wait):
Teste contínuo de uma variável até que ocorra uma mudança no seu valor;
O processo impedido de executar sua região crítica executa um loop de espera.
Gasto de CPU.
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Soluções de Software
Variável de Travamento;
Uma variável é utilizada para informar se algum outro processo está em sua respectiva região crítica;
Gera uma nova condições de corrida.
Estrita Alternância.
Processos se alternam na execução da região crítica;
Processos podem estar bloqueados, sem ninguém estar em sua região crítica;
É necessário que os processos possuam freqüência semelhante na execução da região crítica.
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Soluções de Software
Estrita Alternância
Solução proposta para o problema da região crítica.
(a) Processo 0 
(b) Processo 1 
busy wait
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Soluções de Software
Solução de Peterson:
Chamadas a rotinas antes de entrar e após sair da região crítica;
A rotina de entrada só retorna quando não houver outro processo executando a sua região crítica.
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Soluções de Software
Solução de Peterson:
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Soluções de Software
Problema de Inversão de Prioridades:
Processo com baixa prioridade em sua região crítica;
Processo com alta prioridade em busy waiting;
Starvation.
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Soluções de Software
Implementações de uso das regiões críticas sem a espera ocupada:
Semáforos (Counting Semaphores);
Semáforos Binários
Mutex (Mutual Exclusion Semaphores);
Monitores.
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Soluções de Software
Chamadas sleep e wakeup:
Sleep:
Coloca o processo chamador no estado de espera.
Wakeup:
Coloca um outro processo que está em espera no estado de pronto.
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Soluções de Software
Semáforos:
Ferramenta de sincronização criada por Dijkstra (1965);
Características:
Variável inteira;
Não negativa.
Manipulados exclusivamente por duas operações atômicas:
DOWN (generalização do sleep) 
UP (generalização do wakeup) 
Implementados como chamada ao sistema.