02 - Sincronizacao e comun de processos

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SINCRONIZAÇÃO E COMUNICAÇÃO ENTRE PROCESSOS
Os sistemas multiprogramáveis possibilitaram estruturar aplicações de maneira que
diferentes parte do código do programa pudessem executar concorrentemente, através
de múltiplos processos ou threads.
Em um sistema multiprogramável com um processador, os processos alternam sua
execução segundo critérios de escalonamento estabelecidos pelo sistema operacional. Em
sistema com múltiplos processadores, a possibilidade do paralelismo na execução de
instruções somente estende as vantagens que a programação concorrente proporciona.
É natural que processos de uma aplicação concorrente compartilhem recursos do
sistema, como arquivos, registros, dispositivos de E/S e áreas de memória. Este
compartilhamento de recursos pode ocasionar em situações indesejáveis, capazes até
mesmo de comprometer a execução das aplicações. Para evitar este tipo de problemas,
processos concorrentes devem ter suas execuções sincronizadas, a partir de mecanismos
oferecidos pelo SO, com o objetivo de garantir o processamento correto dos programas.
Aplicações concorrentes
Muitas vezes é necessário que os processos de comuniquem entre si. Esta comunicação
pode ser implementada através de diversos mecanismos, como variáveis compartilhadas
na memória principal ou troca de mensagens.
Na imagem abaixo, dois processos (pode ser subprocessos ou threads) concorrentes
compartilham um buffer para trocar informações através de processos de leitura e gravação.
O buffer só poderá ser lido se existir alguma coisa nele, e só é possível gravar algo no buffer
se ele estiver vazio. Os processos devem aguardar até que o buffer esteja pronto para alguma
operação.
Mecanismos que garantem a comunicação entre processos concorrentes e a recursos
compartilhados são chamados de “mecanismos de sincronização”.
Especificação de concorrência em programas
Existem várias notações para especificar a concorrência entre programas, ou seja,
partes de um programa que devem ser executadas concorrentemente. Alguns comandos
conseguem fazer com que uma sequência de instruções sejam executadas
concorrentemente até um certo ponto. Por exemplo, a fórmula abaixo pode ter três
instruções executadas concorrentemente:
X = RAIZ(1024) + (124 * 45) - (105 / 42)
1 3 4 5 6
1. Quais instruções podem ser executadas concorrentemente?
2. Qual instrução tem que esperar a execução de outras?
Problemas de compartilhamento de recursos
Para a compreensão de como a sincronização entre processos concorrentes é
fundamental para a confiabilidade dos sistemas multiprogramáveis, veremos dois
exemplos de problemas de compartilhamento de recursos.
1. Dois processos concorrentes de 2 caixas para atualizar o saldo de um cliente, um para
sacar e um para depositar.
2. A execução de duas operações alterando o valor de uma variável, +1 e -1.
Analisando estes dois exemplos, é possível concluir que em qualquer situação onde dois ou
mais processos compartilham recursos, devem existir mecanismos de controle para evitar
esses tipos de problemas, conhecidos como “condições de corrida”.
Exclusão Mútua
Uma solução simples para evitar esses tipos de problema é impedir que dois ou mais
processos acessem um mesmo recurso compartilhado simultaneamente. Enquanto um
processo estiver acessando determinado recurso, todos os outros que querem acessá-lo
devem esperar pelo término da utilização do recurso. Essa ideia é chamada de “exclusão
mútua”.
A exclusão mútua deve afetar somente os processos concorrentes quando um deles
estiver fazendo o uso do recurso compartilhado. A parte do código onde é feito acesso ao
recurso compartilhado é denominada de “região crítica”. Desta forma, é possível evitar
problemas decorrentes do compartilhamento.
Os mecanismos que implementam a exclusão mútua utilizam protocolos de acesso a
regiões críticas. Toda vez que um processo desejar executar instruções de suas regiões
críticas, obrigatoriamente deverá executar antes um protocolo de entrada nessa região.
Dessa mesma forma, ao sair da região crítica um protocolo de saída deverá ser executado.
Assim, como ficaria o funcionamento do programa com aqueles dois processos para
alterar o saldo de um cliente?
Diversas soluções de hardware e de software foram propostas, e existem, para garantir a
exclusão mútua de processos concorrentes.
Sincronização condicional
Sincronização condicional é uma situação em que o acesso ao recurso compartilhado
exige a sincronização de processos vinculada a uma condição de acesso. Um recurso
pode não se encontrar pronto para uso devido a uma condição específica. Nesse caso, o
processo que deseja acessá-lo deverá permanecer bloqueado até que o recurso fique
disponível.
Exemplo da imagem do buffer, os dois processos devem estar sincronizados para que
um não tente gravar dados no buffer cheio ou realizar uma leitura em um buffer vazio.
Semáforos
O conceito de semáforos foi proposto por Dijkstra em 1965 como um mecanismo de
sincronização de processos, permitindo de forma simples implementar a exclusão mútua e
a sincronização condicional. Atualmente, a maioria das linguagens de programação
disponibiliza rotinas para o uso de semáforos.
Um semáforo é uma variável inteira não negativa que só pode ser manipulada por
duas instruções: DOWN e UP. A instrução UP incrementa o valor de um semáforo enquanto
o DOWN decrementa. Os semáforos podem ser considerados como binários (0 ou 1) ou
contadores (0, 1, 2, ..., n).
Exclusão mútua usando semáforos
Sincronização condicional usando semáforos
Pode usar os dois tipos de semáforos. Por exemplo, o binário pode indicar se o buffer está
cheio ou vazio, enquanto o contador pode dizer qual é a posição do buffer que está vazia para
escrita ou cheia para ser lida.
Monitores
São mecanismos de sincronização de alto nível que tornam mais simples o
desenvolvimento de aplicações concorrentes. A maioria da linguagens de programação
também disponibilizam rotinas para o uso de monitores.
O monitor é formado por procedimentos e variáveis encapsuladas dentro de um
módulo. Sua característica mais importante é a implementação automática da exclusão mútua
entre os processos declarados, ou seja, somente um processo pode estar executando um dos
procedimentos do monitor em um determinado instante. Se o monitor estiver em uso por um
processo, os demais que tentarem acessá-lo ficarão em uma fila de entrada. As variáveis são
visíveis apenas aos procedimentos.
Troca de mensagens
Troca de mensagens é um mecanismo de comunicação e sincronização entre processos.
O SO possui um subsistema de mensagens que suporta este mecanismo sem a necessidade
do uso de variáveis compartilhadas. Para que exista uma comunicação entre processos
deve haver um canal de comunicação, que pode ser um buffer ou um link de uma rede
de computadores.
A troca de mensagens entre processos pode ser implementada de duas formas:
comunicação direta e indireta.
A comunicação direta exige que seja informada junto com a mensagem o nome do processo
receptor ou transmissor. Dessa forma, a troca de mensagens pode ocorrer somente entre
dois processos.
A comunicação indireta utiliza uma área compartilhada, ode as mensagens podem
ser colocadas pelo processo transmissor e retiradas pelo processo receptor. Este tipo de
buffer pode ser também chamado de mailbox. Assim, vários processos podem estar ligados a
uma mailbox.
Deadlock
É uma situação em que um processo aguarda um recurso que nunca estará disponível
ou um evento que nunca ocorrerá. Essa situação é consequência, na maioria das vezes,
do compartilhamento de recursos, como dispositivos, arquivos e registros, entre
processos concorrentes em que a exclusão mútua é exigida. Este problema torna-se
mais frequente e crítico na medida em que SO evoluem no sentido de implementar o
paralelismo de forma intensiva.
Para que ocorra a situação do deadlock, quatro condições são necessárias
simultaneamente:
1. Exclusão mútua: cada recurso só pode estar associado a um único processo em
determinado instante;
2. Espera por recurso:um processo, além de recursos já alocados, pode estar esperando
por outros recursos;
3. Não preempção: um recurso não pode ser liberado só porque outros processos desejam
o mesmo recurso;
4. Espera circular: um processo pode ter de esperar por um recurso alocado a outro
processo, e vice-versa.
Prevenção de deadlock
Para prevenir a ocorrência de deadlock é necessário que uma das quatro condições
apresentadas nunca se satisfaça.
Para a exclusão mútua já vimos algumas possíveis maneiras de implementação.
Para a segunda, processos que já possuam recursos garantidos não devem requisitar
novos recursos.
Para a terceira, o SO deve permitir que recursos sejam retirados de processos no caso
de outros processos requisitarem o mesmo recurso. Não tratado de maneira correta, pode
trazer uma série de problemas.
Para a quarta, deve-se garantir que um processo só terá um recurso alocado a ele por
vez. Se precisar de outro, deve liberar o que está em uso.
Detecção de deadlock
Para detectar deadlocks, o SO deve manter estruturas de dados capazes de identificar cada
recurso do sistema, os processos que estão alocados e os que estão a espera da liberação de
recursos.
Correção do deadlock
Uma solução simples é simplesmente eliminar um ou mais processos envolvidos no
deadlock e liberar os recursos alocados à eles. O OS deve ter cuidado com isso, pois se o
processo estiver atualizando um arquivo ou realizando uma impressão, os recursos devem
ser corretamente liberados para que outros processos continuem a executar.
A eliminação é feita de forma aleatória ou conforme a prioridade do processo.
Uma solução menos drástica seria liberar apenas alguns recursos alocados a alguns
processos, até que o ciclo termine.
Referências
MACHADO, Francis B.; MAIA, Luiz P. Arquitetura de Sistemas Operacionais. 4. ed. Editora
LTC, 2011.
	SINCRONIZAÇÃO E COMUNICAÇÃO ENTRE PROCESSOS
	Aplicações concorrentes
	Especificação de concorrência em programas
	Problemas de compartilhamento de recursos
	Exclusão Mútua
	Sincronização condicional
	Semáforos
	Monitores
	Troca de mensagens
	Deadlock
	Prevenção de deadlock
	Referências