PDF de programación - Bloque I: Principios de sistemas operativos

UNIVERSIDAD
DE CANTABRIA

Bloque I: Principios de sistemas
operativos
Tema 1. Principios básicos de los sistemas operativos
Tema 2. Concurrencia
Tema 3. Ficheros
Tema 4. Sincronización y programación dirigida por eventos
Tema 5. Planificación y despacho
Tema 6. Sistemas de tiempo real y sistemas empotrados
Tema 7. Gestión de memoria
Tema 8. Gestión de dispositivos de entrada-salida

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© Michael González, J. Javier Gutiérrez

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Notas:

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Tema 4. Sincronización y programación dirigida por eventos

• Necesidad de la sincronización y principales métodos.
• Sincronización de acceso mutuamente exclusivo.
• Sincronización de espera mediante semáforos.
• Sincronización de espera mediante variables condicionales.
• Interbloqueos (deadlocks).
• Generación, bloqueo y aceptación de señales.

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1. Necesidad de la sincronización y
principales métodos
Los procesos o threads pueden:
• ser independientes de los demás
• cooperar entre ellos
• competir por el uso de recursos compartidos
En los dos últimos casos los procesos deben sincronizarse para:
• intercambiar datos o eventos, mediante algún mecanismo de

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señalización y espera, o de paso de mensajes

• usar recursos compartidos de manera mutuamente exclusiva

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Exclusión mutua
Se usa para asegurar la congruencia de los datos o dispositivos
compartidos
Mecanismos habituales:
• semáforos (binarios o contadores)
• mutexes y regiones críticas
• monitores
• regiones críticas condicionales
• variables condicionales

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Semáforos
Tienen una cola de procesos en espera, y un valor que es:
• un entero positivo o cero para los semáforos contadores
• un valor binario (0,1) para los semáforos binarios
Tienen dos operaciones definidas
• “P” o esperar:

- si valor>0 entonces valor:=valor-1
- si valor=0 entonces suspender el proceso (metiéndolo en la cola)

• “V” o señalizar:

- si hay un proceso esperando, activarlo
- si no, valor:=valor+1 (con límite 1 para los binarios)

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Semáforos: exclusión mutua

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Proceso_1:
begin
...
P(sem);
usar recurso
compartido;
V(sem);
...
end;

Proceso_2:
begin
...
P(sem);
usar recurso
compartido;
V(sem);
...
end;

sem:semáforo (
valor_inicial => 1)

Recurso

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Semáforos: sincronización de espera a
un evento

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Proceso_1:
begin
...
Wait(sem);
...

end;

evento

Proceso_2:
begin
...
Post(sem);
...

end;

sem:semaphore (
initial_value => 0)

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Mutexes
Muy similares a los semáforos, pero con un nuevo concepto:
• cada recurso tiene un propietario
Su estado puede ser libre, o tomado. Tienen dos operaciones:
• tomar (lock):

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- si libre, el estado se cambia a tomado
- si no, espera
- el proceso que toma el mutex es el propietario
• liberar (unlock), sólo permitido al propietario:

- si hay procesos esperando, se activa uno, que se convierte en el

nuevo propietario

- si no, el mutex se libera

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Regiones críticas
Son instrucciones estructuradas en algunos lenguajes
concurrentes
Funcionan como un mutex, pero de manera más fiable
• ya que la operación de liberar está implícita en la instrucción

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Monitores
Un monitor encapsula el código relativo a un recurso compartido
en un solo módulo de programa; ventajas:
• mantenimiento más simple
• menos errores de programación
La interfaz del monitor es un conjunto de funciones que
representan las diferentes operaciones que pueden hacerse con el
recurso
La implementación del monitor garantiza la exclusión mutua
• mediante semáforos o algún otro mecanismo
• o implícitamente en los lenguajes concurrentes

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Monitor: ejemplo

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Process_1:
begin
...
d1=Mon1.read();
...
Mon1.write(d2);
...
end;

Process_2:
begin
...
Mon1.write(d3);
...
d4=Mon1.read();
...
end;

monitor Mon1 is
type data is ...;
data read();
void write(data d);
end Mon1;

Mon1 impl.

Recurso:datos

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Monitor: implementación

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monitor body Mon1 is
mutex m;
data shared_data;

data read () is
begin
lock(m);
d:=shared_data;
unlock (m);
return d;
end read;

void write(data d) is
begin
lock(m);
shared_data=d;
unlock(m);
end write;
end Mon1;

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Paso de mensajes
El paso de mensajes es un mecanismo de sincronización común
en programas concurrentes. Tiene dos operaciones:
• esperar (wait): un proceso espera hasta poder recibir un

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mensaje

• señalizar (signal): un proceso envía un mensaje a otro(s)

proceso(s); tiene tres alternativas:
- asíncrona: el proceso que señaliza no espera
- síncrona: el proceso que señaliza espera hasta que el mensaje se

recibe

- punto de encuentro o rendezvous: el proceso que señaliza espera;
cuando el receptor está listo ejecutan un fragmento de código en
común, en el que pueden intercambiar datos en ambas direcciones

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Paso de mensajes (cont.)
Hay dos formas de especificar el destino de un mensaje:
• especificando un proceso destino
• especificando un objeto “buzón” (también llamado canal o cola

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de mensajes)

Muchos sistemas ofrecen la espera selectiva, que se puede usar
para esperar a uno de entre varios eventos
Otras operaciones: espera condicional, espera temporizada, y
espera con barreras o condiciones extra
Se suelen usar monitores para encapsular todo el código relativo
a una clase particular de eventos o mensajes

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Paso de mensajes: ejemplo

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Proceso Productor:
begin
loop
producir datos;
señalizar
enviando datos
al buffer;
end loop;
end producer;

Proceso Consumidor:
begin
loop
esperar a obtener
datos del buffer;
consumir datos;
end loop;
end consumer;

Buffer

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2. Sincronización de acceso
mutuamente exclusivo
Mutex:
• objeto de sincronización por el que múltiples threads acceden

de forma mutuamente exclusiva a un recurso compartido

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• operaciones:

-

-

tomar o bloquear: si el mutex está libre, se toma y el thread
correspondiente se convierte en propietario; si no el thread se
suspende y se añade a una cola
liberar: si hay threads esperando en la cola, se elimina uno de la
cola y se convierte en el nuevo propietario; si no, el mutex queda
libre; sólo el propietario del mutex puede invocar esta operación

• los mutex permiten opcionalmente la herencia de prioridad

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Mutexes en POSIX
Atributos de inicialización:
• pshared: indica si es compartido o no entre procesos:

- PTHREAD_PROCESS_SHARED
- PTHREAD_PROCESS_PRIVATE

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• hay otros atributos relativos a la planificación, que veremos más

adelante

Estos atributos se almacenan en un objeto de atributos

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Objetos de atributos para mutex

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#include <pthread.h>

int pthread_mutexattr_init
(pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutexattr_destroy
(pthread_mutexattr_t *attr);

int pthread_mutexattr_getpshared
(const pthread_mutexattr_t *attr,
int *pshared);
int pthread_mutexattr_setpshared
(pthread_mutexattr_t *attr,
int pshared);

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Inicializar y destruir un mutex
Inicializar un Mutex:

int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *mutex,

const pthread_mutexattr_t *attr);

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Destruir un mutex:

int pthread_mutex_destroy (

pthread_mutex_t *mutex);

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Tomar y liberar un mutex
Tomar un mutex y suspenderse si no está libre:

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int pthread_mutex_lock (

pthread_mutex_t *mutex);

Tomar un mutex, sin suspenderse:

int pthread_mutex_trylock (

pthread_mutex_t *mutex);

Liberar un mutex

int pthread_mutex_unlock (

pthread_mutex_t *mutex);

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