Sistemas Operacionais: Deadlock

Sistemas Operacionais: Deadlock

Darlan Dieterich [email protected] Dennis Haubert Ponssoni [email protected] UFSM – Universidade Federal de Santa Maria Campus de Frederico westphalen, RS, Brasil

Resumo O artigo abordará sobre deadlocks, e suas definições, incluindo suas quatro condições para ocorrência de um Deadlock, entre elas estão (condição (condição mútua, condição de posse e espera, condição de não-preempção e condição de espera circular). Incluindo métodos de detecção, recuperação, prevenção, evitação de deadlock em um sistema computacional, de forma simplificada.

novamente até que o outro o tenha feito.” Os problemas de deadlocks tendem a se tornar mais comuns tendo em vista as perspectivas atuais que incluem maior número de processos, programas com multithreads , muito mais recursos dentro de um sistema e a ênfase em arquivos de longa permanência e em servidores de banco de dados em lugar dos sistemas batch (Silberschatz[1]).

1 – Introdução

Em um ambiente de multiprogramação, diversos processos podem competir por um numero finito de recursos. Um processo solicita recurso; caso os recursos não estejam disponíveis no momento, o processo entra em estado porque os recursos que eles solicitam estão ocupados por outros processos em espera. Esta situação é denominada de deadlock . Talvez a melhor ilustração de um deadlock possa ser delineada a partir de uma lei pertencente à legislatura do estado do Kansas no inicio do século XX. Ela dizia, em parte: “Quando dois trens se aproximarem um do outro em um cruzamento, ambos deverão parar completamente e nenhum deles partirá

Figura 1 - Ilustração de um exemplo de Deadlock. Deadlock.

2 – Deadlock

Deadlock (inter-bloqueio, blocagem, impasse), no contexto dos sistemas operacionais (SO), caracteriza uma situação em que ocorre um impasse e dois ou mais processos ficam impedidos de

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continuar suas execuções, ou seja, ficam bloqueados. (Wikipédia[3]) O Deadlock acontece quando dois (ou mais) processos que estão à espera de uma decisão do outro, esperando uma liberação de um recurso (que seriam como exemplo, dispositivos de entrada e saída, espaço de memória, ciclos de CPU), nitidamente causando uma pane no sistema, muita lentidão, e às vezes travamento do sistema. Para entender tecnicamente, um conjunto de processos em estado de deadlock quando cada processo do conjunto esta esperando por um evento que só pode ser provocado por outro processo do mesmo conjunto. Um exemplo comum seria o processo A aguardando a liberação de um recurso ocupado pelo processo B que só o vai liberar quando outro recurso ocupado por A for liberado. Em modo normal de operação, a utilização de um recurso por um processo deve obedecer a seguinte seqüência: 1-Solicita- Se a solicitação não puder

ser atendida imediatamente (exemplo: o recurso esta sendo utilizado por outro processo), o processo solicitante deverá aguardar até que possa adquirir o recurso. 2-Usa- O processo pode operar sobre

o recurso (exemplo: se o recurso for uma impressora, o processo pode imprimir utilizando-a). 3-Libera- O processo libera o recurso.

Existem quatro condições necessárias para ocorrência de um deadlock: I. II. III.

Exclusão mútua Posse e espera Não preempção

3- Características

Em um deadlock , os processos nunca terminam sua execução e os recursos do sistema ficam bloqueados, impedindo outros Jobs de entrar em execução. Abaixo descrevemos aspectos que caracterizam os deadlocks.

3.1 – Condições Necessárias

O deadlock pode acontecer, se as quatro situações de Coffman ocorrerem ao mesmo tempo em um sistema: 1. Exclusão mútua: Pelo menos um

processo deve ser alocado em modalidade não - compartilhável; ou seja, somente um processo de cada vez poderá utilizar este recurso. Se outro processo solicitar o recurso, ele deverá ser atrasado até que o recurso possa ser liberado. 2. Posse e espera: Um processo deve estar de posse de pelo menos um recurso e aguardando para adquirir recursos adicionais que no momento estão a serviço de outros processos. 3. Não preempção: os recursos não podem ser objeto de preempção; isto é, um recurso só pode ser liberado pelo processo que o estiver retendo, de forma voluntária, após completar sua tarefa. 4. Espera circular: conjunto circular de dois ou mais processos. Cada conjunto esta aguardando um recurso aprisionado pelo membro seguinte dessa cadeia. 4-Manipulação

Segundo (Silberschatz[1]), basicamente





•

•

•

Podemos usar um protocolo para prevenir ou evitar deadlock’s , garantindo que os sistemas jamais entrarão em estado de deadlock . Podemos permitir ao sistema entrar em estado de deadlock , detectandoo e recuperando o sistema. Podemos ignorar completamente o problema e fingir que nunca ocorrerão deadlocks no sistema. Esta solução é utilizada pela maioria dos sistemas operacionais, inclusive UNIX.

Figura 2 – Ilustração de deadlock de

tráfego. 4.2-Deadlock na alocação de recursos simples

Muitos deadlocks acontecem em sistemas de computação porque os recursos somente podem ser usados por um usuário por vez (recursos dedicados).

(Deitel[4]) os Deadlcks podem se desenvolver de muitas maneiras. Se a tarefa designada a um processo é esperar que um evento ocorra e o sistema não tiver nenhuma provisão para sinalizar esse evento, teremos um deadlock de um só processo. Esses deadlocks são extremamente difíceis de detectar. em sistemas reais Deadlocks freqüentemente envolvem vários processos que estão competindo por vários recursos de diversos tipos. Abaixo alguns exemplos comuns:

Suponha que em um sistema o processo A detém um recurso 1, e preciso alocar o recurso 2 para poder prosseguir. O processo B, por sua vez, detém o recurso 2, e precisa do recurso 1 para poder prosseguir. Nesta situação, temos um deadlock , porque um processo esta esperando pelo outro. Esta situação de espera mútua é chamada muitas vezes de espera circular. (Bruno [5]).

4.1-Deadlock de tráfego

4.3-Deadlocks em sistemas de spooling

Como vemos em algumas cidades no nosso quotidiano, com grande fluxo de veículos (processos) circulando em avenidas (recursos) que se cruzam, chegando a uma situação que o tráfego fica completamente paralisado (deadlock). Nessa questão onde somente a polícia (algoritmos de recuperação) vai resolver essa situação, fazendo com que os carros

Em um sistema de disco, cartões são diretamente lidos da leitora de cartões para o disco. Quando um job é executado, o sistema operacional satisfaz seus pedidos por entrada da leitora de cartões pela leitura do disco. Da mesma forma, quando um job pede a impressão de uma linha para a impressora, esta é copiada em um buffer do sistema que é escrito para o disco.

Segundo





Esta forma de processamento é chamada de spooling (spool = Simultaneous Peripheral Operation On-Line ). Spooling utiliza um disco como um buffer muito grande para ler tanto quanto possa dos dispositivos de entrada e para armazenar arquivos de saída até que os dispositivos de saída estejam aptos para recebê-los. A diferença entre buferização e spooling é que enquanto a buferização sobrepõe o processamento de um job com seu próprio E/S, o spooling sobrepõe o E/S de um job com o processamento de outros jobs. Assim, a técnica spooling é mais vantajosa do que a buferização. O único efeito colateral é a necessidade de algum espaço em disco para o spool, além de algumas tabelas em memória. (Incc.br [6]) Sistema de spooling serve como exemplo, agilizar as tarefas de impressão do sistema. Ao contrário do aplicativo mandar linhas para impressão diretamente para a impressora, ele as manda para o spool, que se encarregará de enviá-las para a impressora. Então o aplicativo é rapidamente desalojado da tarefa de imprimir. Vários jobs de impressão podem ser enfileirados e serão gerenciados pela técnica de spooling. 5. Recuperação de deadlock

Suponha que um algoritmo de detecção de deadlocks tenha sido bem-sucedido, localizando um deadlock, é necessário recuperar o sistema dessa situação e colocá-lo novamente em condições normais de execução. 5.1

Recuperação

por

meio

de

proprietário atual para dá-lo a outro processo. Muitas vezes uma intervenção manual pode ser necessária, especialmente em sistemas operacionais de processamento em lote (batch) executados em computadores de grande porte. Por exemplo, para retomar uma impressora a laser de seu processoproprietário atual, o operador pode juntar todos os formulários já impressos e colocálos em uma pilha. Em seguida, o processo pode ser suspenso (marcado como não executável). Nesse ponto a impressora pode ser liberada para outro processo. Quando esse segundo processo terminar, aquela pilha de formulários já impressos pode ser devolvida á bandeja de saída da impressora, e outro processo anterior é reiniciado. 5.2

Recuperação por meio de estado

Se projetistas de sistemas operacionais de máquinas souberem da possibilidade de ocorrência de deadlocks, provavelmente poderão fazer com que os processos sejam periodicamente verificados (checkpointed ). Verificar um processo, nesse caso, significa ter seu estado guardado em um arquivo-imagem (checkpoint file ), de modo que ele possa ser reiniciado posteriormente. Esse arquivo-imagem contém não somente a imagem da memória, mas também o estado dos recursos passíveis, isto é, quais recursos estão em um determinado instante alocados ao processo. Para maior eficiência, cada nova imagem deve ser escrita em um novo arquivo, não escrita sobre o arquivo anterior, de modo que, ao ser executado,





de

3. O processo C nada possui, mas requisita o recurso S.

A maneira mais grosseira de eliminar um deadlock, mas também a mais simples é ‘matando’ um ou mais processos. Uma possibilidade é matar um processo presente no ciclo. Com um pouco de sorte, os demais processos serão capazes de prosseguir. Se não for suficiente, essa ação poderá ser repetida até o ciclo ser quebrado. (Tanembaum[2])

4. O processo D possui o recurso U, mas requisita o recuso S.

5.3 Recuperação por eliminação de processos.

meio

6. Detectando um Deadlock

Se um sistema não empregar um algoritmo de prevenção ou de impedimento de deadlocks , poderá ocorrer uma situação de deadlock . Neste caso o sistema deverá ceder: •

•

Um algoritmo que examine o estado do sistema para determinar a ocorrência de deadlock . Um algoritmo para recuperar o sistema de deadlock.

6.1 Detecção de deadlocks com um recurso de cada tipo

Quando existe somente um recurso de cada tipo. Esse sistema pode ter um scanner, uma unidade de CD, um plotter e uma unidade de fita, mas não mais do que um recurso de cada classe. Em outras palavras, está-se excluindo por enquanto os sistemas com duas impressoras. Para esse sistema pode-se construir um grafo de recursos ilustrado na figura 3. 1.

O processo A possuí o recurso R e

5. O processo E possui o recurso T, e requisita o recurso V. 6. O processo F possui o recurso W, e requisita o recurso S. 7. O processo G possui o recurso V e requisita o recurso U.

6.2 Detecção de deadlocks com múltiplos recursos de cada tipo.

Quando existem várias cópias de algum recurso, é necessário um método diferente para detectar deadlocks. Para a detecção de deadlocks entre n processos, de P1 a Pn. Seja m o número de classes de recursos, com E1 recursos de classe 1, E2 recursos de classe 2 e, generalizando, Ej recursos de classe i( 1 ≤ i ≤ m). E é o vetor de recursos existentes; ele fornece o número total de instâncias de cada recurso existente. Por exemplo, se a classe 1 for de unidades de fita, então E1 = 2 significará que o sistema tem duas unidades de fita. O algoritmo de detecção de deadlock baseia-se na compração de vetores. Vamos definir a relação A ≤ B se aplica se e somente se Aj ≤ Bj para 1 ≤ i ≤ m. Inicialmente, todos os processos estão desmarcados. Á medida que o algoritmo prossegue sua execução, os processos são marcados, indicando que eles estão aptos a completar seus processamentos sem sofrerem deadlocks. (Tanembaum[2])





solicitar primeiro a im ressora e depois o drive de fita. Conhecendo a seqüência completa de solicitações e liberações para cada processo, podemo decidir, para cada solicitação, se o processo deverá ou não aguardar. Cada solicit ção requer que o sistema considere os r cursos disponíveis no momento, os rec rsos alocados no momento a cada pro esso, de modo a decidir se a solicitação m curso poderá ser satisfeita ou deverá esperar, no sentido de evitar um possível dead lock futuro.

8. Prevenção de De dlocks

Figura 3 - (a) Um gra o de recursos

(b) um ciclo extraído de (a).

7. Evitando Deadlocks

Presume-se tacita ente que, quando um processo requisita recursos, ele os requisita todos de uma só vez. No entanto, na maioria d s sistemas operacionais os recursos são requisitados um de cada vez. O sistema d ve ser capaz de decidir se liberar um rec rso é seguro ou não e somente fazer alo ação quando ela for segura. (Tanembaum[2]). De acordo com Silberschatz[1] um método alternativo para evitar Deadlock é requerer informação adicional sobre como os recursos deverão ser solicitados. Por exemplo, em um sistema co um drive de fita e uma impressora devem ser

Para prevenir u deadlock precisase usar as quatro con ições de Coffman, para ver se elas podem ar alguma pista, se for garantido que pel menos uma das condições não seja satisfeita então os deadlocks serão imposs veis. 8.1 Atacando a condiç o mútua.

Neste caso sa-se a técnica spooling , vários proce sos poderão gerar suas saídas ao mesmo tempo, todavia o único processo que re lmente requisita a impressora física é o da mon de impressão. Como o daemon nunc requisita qualquer outro recurso, não haverá deadlock envolvendo a impresso a. Se um processo alocar um recurso p rticular, tem uso exclusivo do mesmo e quanto este estiver alocado a si. 8.2 Atacando a con ição de posse-eespera.

Um meio de realizar esse objetivo é







o que precisar e poderá então ser executado até o fim. Um processo pode assegurar um recurso ao mesmo tempo em que o mesmo está pedido por outro processo.

tenha permissão de possuir somente um recurso de cada vez. Se ele necessitar de um segundo recurso, deverá liberar o primeiro. Para um processo que necessita copiar um arquivo grande de uma fita para uma impressora. Outra maneira de evitar a condição de espera circular é fornecer uma numeração global de todos os recursos, a regra é a seguinte: processos podem requisitar recursos sempre que necessário, mas todas as solicitações devem ser feitas em ordem numérica. (Tanembaum[2])

Figura 4 – Atacando condição

posse-e-espera. 8.3 Atacando preempção.

a

condição

de

não

Se um processo tiver a posse de uma impressora e estiver no meio da impressão de seus resultados, o ato de retomar-lhe forçará a impressora porque um plotter de que esse processo também necessita não está disponível, é complicado na melhor das hipóteses e impossível na pior delas.

Situação que pode surgir quando um processo P1 requer o recurso R1 a medida que o primeiro é solicitado pelo recurso R2, e o processo P2 requer R2 e ao mesmo tempo é solicitado pelo recurso R1. Pode haver mais do que dois processo envolverem na espera circular.

Figura 6 – Condição de espera





ocorridos com os processos, utilizando diversos tipos de algoritmos avançados. Pudemos entender um pouco mais sobre como ocorre um conflito de processos em um sistema computacional, também utilizando técnicos mecanismos para evitar um deadlock. Deadlock é um problema potencial em qualquer sistema operacional. Uma das estratégias mais simples de tratar deadlock seria ignorá-lo.

10-Referências

[1] Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne – Fundamentos de Sistemas Operacionais – LTC, GEN, 2004. [2] Andrews S. Tanenbaum, Sistemas Operacionais Modernos - 2ª Edição. ABDR, 2001. [3] Wikipédia - Deadlocks - Enciclopédia Livre, 2011. Disponível em: [4] Harvey.M. Deitel, Paul.J. Deitel, David.R. Choffness – Sistemas Operacionais 3ª edição – Editora Pearson, 2005. [5] Prof. Bruno – Apostila de Sistemas

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