06 - Sincronização Entre Tarefas

s s i a n o o i i c a a r e p O s a m e e t s S i s

Sincronização entre tarefas (MULTIPROGRAMAÇÃO)

s s i a n o o i i c s a a a a f r a e e r e a p t e e O r r t s n a e o m ã e e ç t s n i z z a S i s o r o c n n i S

Objetios ●

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Condições de disputa; Exclusão mútua; Região crítica; Semáforos; Monitores; Deadloc!

Capítulo " Ma#ieiro Capítulo $ %rancis &erenger

s s i a n o o i i c s a a a a f r a e e r e a p t e e O r r t s n a e o m ã e e ç t s n i z z a S i s o r o c n n i S

Objetios ●

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Condições de disputa; Exclusão mútua; Região crítica; Semáforos; Monitores; Deadloc!

Capítulo " Ma#ieiro Capítulo $ %rancis &erenger

Prof..PedroBastade CarvalhoFilho Prof Filho

Sistemas Operacionais

Intro!"ção#Motiação Sincronização

A$%icação

C'(D)*+' DE D)S,-./

Rec"rso co&$arti%'a!o

Prof.PedroBastade CarvalhoFilho


on!ição !e !is$"ta

!!! 0uando duas ou mais tarefas acessam simultaneamente o mesmo recurso compartil1ado2 causando assim2 inconsist3ncia nos dados!



a&os a $rob%e&*tica+++

4ual será o resultado final do sa%!o caso algumas das tarefas se5a interrompida antes de finali#ar o dep6sito7



,-e&$%o $ro.ra&a onta/orrente Sa%!o at"a% 5 7 21 r0!ito 12 .1read 8/9 : <  = >? Processo A

Processo 6

A'/D 2R8/9

A'/D 2R8&9

/DD >?2R8/9

/DD @???2R8&9

S.'RE R8/92 S.'RE R8&92

r0!ito 13 .1read 8&9 : <  = @???

T'rea! & & / / & /

Instr"ção A'/D 2 R8&9 /DD @???2 R8&9 A'/D 2 R8&9 /DD >?2 R8&9 S.'RE R8/92  S.'RE R8&92 

Me&4ria 5 @? @? @? @? @?@? ?

Re.istra!ores T'rea!s R(A) R(6) B @? B @?@? @? B ? B B @?@? ? B



8 9 necess*rio :"e 'aja "&a sincronização $ara contro%e !este rec"rso co&$arti%'a!o


Sistemas Operacionais / mel1or forma de impedir esse prolema2  eFitar 0ue dois t1read acessem o mesmo recurso simultaneamente!

Isso se c'a&a ,5LUSÃO M;TUA

/ssim2 en0uanto um t1read estiFer acessando um determinado recurso2 os outros esperam pelo trmino do t1read corrente



,arte do c6digo onde  feito o controle do acesso ao recurso compartil1ado  denominado de re.ião cr
)ndica se 5á existe algum acesso G região crítica

)nforma 0ue deixou de acessar a região crítica

6,GI= + + ,ntra/Re.iao/ritica> (? Protoco%o !e entra!a ?) Re.ião ritica> Sai/Re.iao/ritica (? Protoco%o !e sai!a ?) + + ,=@



Antes !e contin"ar a%."&as ref%e-Bes+++ ●

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H possíFel preFer este tipo de situação7 Mesmo na ocorr3ncia deste tipo de prolema2  fácil de identificar sua origem7 Existe alguma solução 0ue eFite @??I a ocorr3ncia de J tarefas acessarem ao mesmo tempo a região crítica7



So%"çBes $ara i&$%e&entar a e-c%"são &Ct"a o" seja $rote.er a re.ião critica+ ●

So%"ção !a es$era oc"$a!a (Pro.ra&a!or) – –

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Modelo de algoritmo 8softKare9 )nstruções testLandLset 81ardKare9

I&$%e&entação ia softDare (Pro.ra&a!or e SO) – –

Semáforos Monitores



So%"ção co& es$era oc"$a!a ●

@efiniçãoE Considerada como uma das primeiras soluções para o prolema da exclusão mútua no acesso a seções críticas2 0ue consiste em testar continuamente uma condição 0ue indica se a seção dese5ada está liFre ou ocupada! – –

Modelo de algoritmo )nstruções testLandLset



,s$era oc"$a!a (Mo!e%o !e a%.orit&o) import time import t1reading Fe# < ?@ def t1read?@8 9N gloal Fe# K1ile Fe# << ?JN OO(ão fa# nada A,SSA/R,GIAO/RITIA Fe#
.1read ?J ?J ?@ ?@ ?@ ?J ?@ ?@ ?J ?J

)nstrução gloal Fe# K1ile Fe# << ?@ gloal Fe# K1ile Fe# << ?J R,GIÃO RITIA K1ile Fe# << ?@ R,GIÃO RITIA Fe# < ?J K1ile Fe# << ?@ R,GIÃO RITIA

Pe# ?@ ?@ ?@ ?@ ?@ ?@ ?@ ?J ?J ?J

Exemplo com tempo de 0uantum para executar no máximo Q instruções



,s$era oc"$a!a (A%.orit&o !e Petersen) ResolFe alguns prolemas de exclusão mútua existentes em outros algoritmos! (ão  preciso indicar 0ual t1read Fai iniciar2 isto  feito automaticamente!



,s$era oc"$a!a (A%.orit&o !e Petersen)



Inibição $or interr"$ção o&o f"ncionaF ●

Consiste em impedir a troca de contexto2 ou se5a2 a tarefa desailita as interrupções do processador2 eFitando assim2 0ue a tarefa deixe o estado de execução mesmo terminando o tempo de 0uanto2 ou ocorrendo uma interrupção de 1ardKare %in Ex

Espera

,ronto

(oFo



,s$era oc"$a!a (Instr"ção testan!set) ●

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Muitos processadores possuem uma instrução de má0uina especial 0ue permite ler uma FariáFel2 arma#enar seu conteúdo em uma outra área e atriuir um noFo Falor G mesma FariáFel! Essa instrução especial  c1amada testLandLsetLloced 8.SA9 e tem como característica ser executada sem interrupção2 ou se5a2 trataLse de uma instr"ção atH&ica ou indiFisíFel! Dessa forma2  garantido 0ue dois processos não manipulem uma FariáFel compartil1ada ao mesmo tempo2 possiilitando a implementação da exclusão mútua! / instrução .SA possui o formato a seguir2 e 0uando executada o Falor l6gico da FariáFel   copiado para 2 sendo atriuído G FariáFel  o Falor l6gico FerdadeiroN TSL (5)>



,s$era oc"$a!a (Instr"ção testan!set)



I&$%e&entação ia SoftDare Pro.ra&a!or  SO

Semáforos e Monitores



Se&*foros ●

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Conceito proposto por E! ! Di5stra em @T>! -m semáforo  uma FariáFel inteira2 nãoLnegatiFa2 0ue s6 pode ser manipulada por duas instruçõesN D'( e -,! Semáforo pode ser classificado como inário ou contador! 's semáforos inários2 tamm c1amados de mutexes 8mutual exclusion semap1ores92 s6 podem assumir Falores ? e @!



Se&*foros ●

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/s instruções -, e D'( são atH&icas2 e funcionam como protocolos de entrada e saída da região crítica do processo! ' semáforo fica associado a um recurso compartil1ado indicando 0uando o recurso está sendo acessado por um dos processos concorrentes! ' Falor do semáforo igual a @ indica 0ue nen1um processo está utili#ando o recurso2 en0uanto o Falor ?2 indica 0ue o recurso está em uso!



Se&*foros PROGRAM Semaforo@ AR sN Semaforo N< @; 8B )niciali#ação do semáforo B9 6,GI= PAR6,GI= ,rocesso/; ,rocesso&; PAR,=@; ,=@! PRO,@UR, ,rocesso/; 6,GI= R,P,AT D'( 8 s 9; RegiaoCritica/; -p 8 s 9; U=TIL false; ,=@

PRO,@UR, ,rocesso&; 6,GI= R,P,AT D'( 8 s 9; RegiaoCritica&; -, 8 s 9; U=TIL false; ,=@


Sistemas Operacionais Recurso compartil1ado x x x @ J Q "

Se&*foros x

>

%im Ex

@

" Q J %ila semáforo

> Espera

,ronto

(oFo

Se surgir uma noFa t1read para acessar o recurso compartil1ado2 o 0ue acontece 0uando entrar em execução7



Se&*foros ●

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/o usar semáforos2 um programador define explicitamente os pontos de sincroni#ação necessários em seu programa! Essa aordagem  efica# para programas pe0uenos e prolemas de sincroni#ação simples2 mas se torna inFiáFel e suscetíFel a erros em sistemas mais complexos! ,or exemplo2 se o programador es0uecer de lierar um semáforo preFiamente alocado2 o programa pode entrar em um impasse! ,or outro lado2 se ele es0uecer de re0uisitar um semáforo2 a exclusão mútua sore um recurso pode ser Fiolada!



Monitores ●

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Em @T$J2 os cientistas ,er &rinc1 Uansen e C1arles Uoare definiram o conceito de monitor! -m monitor  uma estrutura de sincroni#ação 0ue re0uisita e liera a seção crítica associada a um recurso de forma transparente2 sem 0ue o programador ten1a de se preocupar com isso! De certa forma2 um monitor pode ser Fisto como um o5eto 0ue encapsula o recurso compartil1ado2 com procedimentos 8mtodos9 para acessáLlo!



Monitores &onitor conta V float saldo < ?!?; Foid depositar 8float Falor9V if 8Falor W< ?9 contaLWsaldo =< Falor ; Else error 8XerroN Falor negatiFoYnX9 ; Z Foid retirar 8float saldo9V if 8Falor W< ?9 contaLWsaldo L< Falor ; else error 8XerroN Falor negatiFoYnX9 ; Z Z

Declaração de FariáFeis gloais

,rocedimentos ,roc! @ ,roc! J ! ! ! ,roc! n )niciali#ação de FariáFeis



Monitores (jaa) Em [aFa2 a cláusula snc'ronize! fa# com 0ue um semáforo se5a associado aos mtodos indicados2 para cada o5eto 8ou para cada classe2 se forem mtodos de classe9! (este exemplo2 apenas um dep6sito ou retirada de cada Fe# poderá ser feito sore cada o5eto da classe Conta!



Monitores ●

/s operações de otenção e lieração do semáforo são inseridas automaticamente pelo compilador do programa em todos os pontos de entrada e saída do monitor 8no início e final de cada procedimento92 lierando o programador dessa tarefa e assim eFitando erros!



Prob%e&as c%*ssicos !e coor!enação ●

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' prolema dos produtoresOconsumidores ' prolema dos leitoresOescritores ' 5antar dos fil6sofos



Prob%e&a !e @ea!%ocN ●

Deadlock 

a situação em 0ue um processo aguarda por um recurso 0ue nunca estará disponíFel ou um eFento 0ue não ocorrerá! Essa situação  conse0u3ncia2 na maioria das Fe#es2 do compartil1amento de recursos2 como dispositiFos2 ar0uios e registros2 entre processos concorrentes em 0ue a exclusão mútua  exigida!

06 - Sincronização Entre Tarefas

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