Interbloqueo (Sistema Operativo)

En sistemas operativos, el bloqueo mutuo (también conocido como

interbloqueo, traba mortal, deadlock, abrazo mortal) es el bloqueo

permanente de un conjunto de procesos o hilos de ejecución en un sistema

concurrente que compiten por recursos del sistema o bien se comunican

entre ellos. A diferencia de otros problemas de concurrencia de procesos,

no existe una solución general para los interbloqueos.

Todos los interbloqueos surgen de necesidades que no pueden ser

satisfechas, por parte de dos o más procesos. En la vida real, un ejemplo

puede ser el de dos niños que intentan jugar al arco y flecha, uno toma el

arco, el otro la flecha. Ninguno puede jugar hasta que alguno libere lo que

tomó.

En el siguiente ejemplo, dos procesos compiten por dos recursos que

necesitan para funcionar, que sólo pueden ser utilizados por un proceso a la

vez. El primer proceso obtiene el permiso de utilizar uno de los recursos

(adquiere el locksobre ese recurso). El segundo proceso toma el lock del

otro recurso, y luego intenta utilizar el recurso ya utilizado por el primer

proceso, por lo tanto queda en espera. Cuando el primer proceso a su vez

intenta utilizar el otro recurso, se produce un interbloqueo, donde los dos

procesos esperan la liberación del recurso que utiliza el otro proceso.

Administración de procesos

Necesidad: La sincronización de procesos creados por diferentes equipos de

programadores, está a cargo del sistema operativo

Definiciones

Interbloqueo:

Se dice que dos o más procesos están bloqueados, cuando están

suspendidos en espera de un evento que sólo puede ser activado por uno de

los procesos bloqueados, y por lo tanto dicho evento nunca sucederá

Postergación indefinida o Inanición (Starving)

Se dice que uno o más procesos están en postergación indefinida cuando la

política de planificación del sistema permite que un proceso quede en

espera de un evento por un tiempo indefinido. Esto puede suceder, por

ejemplo, cuando la asignación de recursos se realiza por prioridad. De este

modo un proceso de baja prioridad estará suspendido mientras existan otros

procesos de mayor prioridad.

Envejecimiento: aumentar la prioridad de los procesos conforme pasa el

tiempo

Clasificación de recursos

Para el estudio del interbloqueo, los recursos se pueden clasificar en:

Compartido/exclusivos: Se dice que un recursos es compartido si

puede ser utilizado por más de un proceso al mismo tiempo. Son

exclusivos los que pueden ser utilizados sólo por un proceso a la vez

Apropiativos/inapropiativos: Son apropiativos los recursos asignados

a un proceso, que pueden ser desasignados del proceso, por al

sistema para asignarlos a otro proceso.

Los recursos involucrados en los interbloqueos son los exclusivos e

inapropiativos

Condiciones necesarias para el interbloqueo

Coffman, Elphuck y Shoshani, establecieron cuatro condiciones, necesarias

y suficientes, para que se dé un interbloqueo:

Exclusión mutua

Si dos procesos solicitan un recurso exclusivo, uno de los dos quedará

suspendido hasta que el favorecido libere el recurso.

Contención o retención y espera

Si un proceso necesita más de un recurso para realizar su trabajo,

conservará en su poder los recursos exclusivos ya asignados, mientras

espera por otro recurso adicional.

Inapropiatividad

Los recursos asignados a un proceso, sólo pueden ser liberados por el

proceso mismo y no pueden ser desasignados por el sistema, cuando otro

proceso los necesite.

Espera circular

Dependencia: Si un proceso P1 está suspendido en espera de un recurso

exclusivo que está asignado a otro proceso P2, entonces decimos que P1

depende de P2 (P1 <= P2).

Espera circular: Existe una cadena circular de procesos en espera de un

recurso, si existe una cadena de dependencias entre procesos de la forma

P1 <= P2 <= P3 <= ... <= Pn <= P1

Ejemplos:

Asignación de recursos sin ciclos

Asignación de recursos con espera circular e interbloqueados

Formas de enfrentar los interbloqueos

Existen varias políticas y estrategias que el sistema operativo puede tomas,

para tratar con los interbloqueos:

Indiferencia:Problema del usuario y del programador, lograr que no se dé el

interbloqueo.

Prevención:Consisten en condicionar el sistema con una serie de

restricciones a los programadores, para que no se den al menos una de las

condiciones del interbloqueo, por lo que éste nunca sucederá.

Evitación o predicción: Esta estrategia consiste en dejar que las condiciones

para el interbloqueo se puedan dar, pero en el momento de asignar

recursos, y se detecte que puede ocurrir un interbloqueo, deniega la

asignación del recurso que puede desencadenar el interbloqueo.

Detección y recuperación: En esta política, el sistema deja que suceda el

interbloqueo, pero se implementan procesos encargados de revisar el

estado de asignación de los procesos, para detectar los interbloqueo. Una

vez detectado, se pueden implementar políticas de recuperación de

interbloqueo, que básicamente consisten en matar procesos.

Indiferencia (algoritmo del avestruz)

Simple y eficiente, dado que el sistema operativo no gasta procesador ni

recursos en el manejo del interbloqueo. Usualmente es la política preferida

en los sistemas actuales

El costo esperado de un interbloqueo suele ser muy bajo

o Costo esperado = Probabilidad (desastre) * Costo (desastre)

Sólo se deben proporcionar herramientas para revisar el estado de los

procesos

complica el trabajo del operador

Prevención (Estrategias de Havender/Prevención estática)

Se pueden adoptar ¿4? posibles estrategias de prevención del interbloqueo,

una para cada condición. Ya que para se dé un interbloqueo son necesarias

las cuatro, con negar una de ellas, se niega la posibilidad del interbloqueo:

Negación de la exclusividad

Sólo se aplica a recursos compartidos, es muy difícil poder aplicarlo a todos

los recursos, dado que hay recursos que son inherentemente de uso no

compartido.

Uso de spoolers: dar un API concurrente (compartido) a los procesos para

accesar recursos. La estrategia básica es que un servicio del sistema

(daemon) proporciona un API, y ese servicio es el único que accesa el

recurso compartido, exclusivo. Ej: una impresa es un recurso exclusivo e

inapropiativo, pero con el uso de un spooler se convierte en un recurso

compartido.

Test & Get: un API especial que permite revisar primero si el recurso está

disponible, y pedirlo, o retornar un código de error que indica que no está

disponible. Requiere que los procesos hagan uso de este API.

Negación de la contención

Estrategia 1: El proceso pide al sistema TODOS los recursos a necesitar

antes de iniciar su proceso (todo o nada). No siempre se sabe cuántos

recursos se utilizarán.

Estrategia 2: También puede establecerse que un procesos puede pedir

recursos cuando no tiene recursos asignados

No siempre se conoce la cantidad de recursos que se necesitará, por lo que

lo que el operador debe configurar, por prueba y error, lograr que los

procesos funcionen adecuadamente

Obliga a optimizar los programas por medio de división. El programador de

modularizar extremadamente bien los procesos para utilizar los recursos

por fases, de forma que para cada fase, se piden los recursos y se liberan,

antes de la siguiente fase

La utilización de recursos resulta muy pobre

Puede resultar una postergación indefinida de un proceso que requiera

muchos recursos

Negación de la inapropiatividad

Si un proceso que tiene recursos asignados, pide un nuevo recurso que no

está disponible, deberá liberar los recursos asignados y pedirlos

posteriormente.

Sólo se aplica a recursos apropiativos y recursos que se pueden almacenar

su estado para reasignarlo, o que puedan hacerles rollback

puede llevar a que la ejecución de un proceso se prolongue indefinidamente,

debido a que nadie puede garantizar que termine en un tiempo determinado.

Pobre utilización del tiempo de procesamiento

Negación de la espera circular

Se impone un orden a los recursos

Cada proceso sólo puede pedir los recursos en orden ascendente (o

descendente)

Tiempo\requerimientos P1 P2 P3

t1 R1 (ok)

t2 R2 (ok)

t3 R3 (ok)

t4 R2 (*)

t5 R3 (*)

t6 R1 (*)

P1 => P2 => P3 => P1

Tiempo\requerimientos P1 P2 P3

t1 R1 (ok)

t2 R2 (ok)

t3 R1 (*)

t4 R2 (*)

t5 R3 (ok)

ti FINALIZA

ti DESPIERTA

Tj FINALIZA DESPIERTA

Tj+1 R3 (ok)

Tn FINALIZA

DEMOSTRACIÓN:

P0 => P1 => P2 => … => Pn => P0

Para que haya una dependencia de Pi A Pj, significa que Pi tiene asignados

recursos <= k, y está pidiendo un Rk+1, el cual está asignado a Pj, lo que

significa que Pj tiene asignados recursos >= k+1, por lo tanto Pn ¡=> P0

En general las técnicas de prevención, aunque logran su objetivo de eliminar

los interbloqueos, provocan una pobre utilización de los recursos,

incluyendo el procesador. También el algunos casos, provocan postergación

indefinida.

Evitación o Predicción ( Estrategias de Dijkstra, Habermann)

Con la evitación no se tienen reglas estáticas a los procesos, sino que el

sistema operativo analiza cada petición de recursos y determina si el

sistema quedará en un estado estable o inestable, en este último caso, se

deniega la petición, posponiéndola temporalmente.

Conceptos

La evitación se basa en los siguientes conceptos:

Estado de asignación de recursos:Número de recursos asignados,

disponibles y máximo de recursos posibles por proceso.

Secuencia segura:Secuencia de finalización de procesos, tal que todos los

procesos puedan finalizar exitosamente, iniciando en un determinado estado

de asignación de recursos

Estado seguro de asignación de recursos:Estado de asignación de recursos,

donde existe al menos una secuencia segura.

Estado inseguro de asignación de recursos: No existe ninguna secuencia

segura. Obsérvese, que aunque un estado inseguro no implica que exista

interbloqueo, talvez una secuencia determinada de eventos lleve a uno.

Algoritmo del banquero (Dijkstra, Habermann)

En este algoritmo, de evitación en general procede así:

Necesita que cada proceso declare el máximo número de recursos a utilizar

En cada requerimiento, determina si el asignar los recursos pedidos deja

un estado inseguro de asignación de recursos, entonces se pospone el

requerimiento. De lo contrario se asignan los recursos solicitados.

Procedimiento de asignación

Cuando un proceso solicita recursos, el sistema operativo procede así:

1. Determinar si hay disponibles

2. Determinar que no exceda su máximo declarado

3. Determinar que, si se concede la petición, el sistema quede en estado

seguro

Si no se cumple cualquiera de estas condiciones, el proceso queda

suspendido hasta que exista una liberación de recursos.

Estructuras de datos:

sea m el número de tipos de recursos y n el número de procesos

int disponible [m] ; unidades de R j disponibles

int max[n][m]; máximo número de requerimientos del proceso Pi del

recurso Rj

int asignado [n][m]; asignación actual del proceso P i del recurso Rj

int necesario [n][m]; necesario [i][j] = max [i][j] - asignados[i][j]

int requerimiento[m]; vector de requerimiento de cada petición de

recursos//

Relación <= entre vectores

si x in N m , y in N m : x <= y ssi para todo i = 0,...,m-1 : x[i] <= y[i]

Por ejemplo:

<1,1,1> <= <2,5,7>

<1,1,1> NO <= <2,0,7>

Algoritmo

void requerimiento_de_recursos (int requerimiento[], idProceso i) {

if (requerimiento >= necesario[i] )

error () ; máximo de recursos estimados agotados

i f (requerimiento >= disponible)

suspender () ; recursos no disponibles

disponible -= requerimiento;

asignado [i] += requerimiento;

necesario[i] -= requerimiento;

if (! estado_seguro ()) {

regresamos al estado anterior

disponible += requerimiento;

asignado[i] -= requerimiento;

necesario[i] += requerimiento;

suspender () ;

}

}

int estado_seguro() {

int disp_temp = disponible;

bool terminado[n] = (FALSE,...,FALSE);

int i;

encontrar un p[i] tal que terminado[i] = FALSE y necesario[i] <= disponible

while (terminado!=(TRUE,...TRUE)){

for (i=0; (i < n && terminado[i]) || necesario[i] > disp_temp); i++) {

if (i == n-1) {

return FALSE;

}else

if (!terminado[i]){

disp_temp += asignados[i] ;

terminado[i] = TRUE;

} if

} for

} while

return TRUE ;

}estado_seguro

Ejemplo

proceso\recurso R1 (7) R2(7) R3(7)

Maximos P1 5 3 1

P2 3 2 3

P3 2 3 1

P4 5 0 3

Asignados P1 3 3 1

P2 2 2 2

P3 0 1 1

P4 0 0 1

Necesarios P1 2 0 0

P2 1 0 1

P3 2 2 0

P4 5 0 2

Disponibles 2 1 2

Sobre este estado de asignación de recursos (qué es estable ¿?)

supongamos las siguiente peticiones de recursos:

P2[1,0,1]:El sistema queda en un estado seguro

P3[2,0,0]:El sistema queda en un estado inseguro

Desventajas

necesita el conocimiento del máximo por recurso que usará cada proceso

implica un retardo en cada asignación de recursos, lo que puede degradar el

sistema si se manejan muchos recursos y/o procesos

Se requiere una garantía de devolución: c/proceso liberará los recursos

asignados. (suponga que después de hacer la primera asignación de

recursos, el proceso P2 no termina, entonces ninguno de los procesos

podría terminar, sin necesidad de que haya interbloqueo.

Detección y recuperación

El sistema no impone ninguna clase de reglas para prevenir o evitar el

interbloqueo

Se puede tener un proceso de fondo o de activación manual que analice las

estructuras del sistema operativo y determine si existe o no un

interbloqueo.

Una vez detectado el interbloqueo se procede a la recuperación, que puede

ser automática o manual. Básicamente consiste en matar un proceso

Podría utilizar si no es muy costoso que haya un interbloqueo (el costo es

menor que el costo de implementar una de las otras políticas de

interbloqueo.

Normalmente sería utilizado como herramienta de diagnóstico y

recuperación

Detección por reducción de grafos de asignación

Detección por ciclos de espera

La técnica más sencilla para detectar un interbloqueo es deducir un grafo

dirigido de dependencias entre proceso por medio de las colas de espera en

cada recurso y determinar si existen un ciclo en dicho proceso.

Por ejemplo, en la siguiente gráfica, al lado izquierdo, se tiene un grafo del

estado actual de asignación de recursos y a la derecha vemos el grafo de

espera entre procesos. Como se puede apreciar, existe un ciclo en en grafo

de espera, por lo tanto existe un interbloqueo.

Condiciones necesarias para la detección

1. Conocer los procesos: acceso al PCB

2. Conocer los recursos: acceso a la tabla de recursos del sistema

3. Conocer la asignación: debemos poder saber qué recursos está asignado

a cada proceso

4. Conocer la espera: debemos poder saber en que recursos está esperando

(suspendido) un proceso

Recuperación

Una vez que se detecta un interbloqueo, corresponde la decisión sobre la

recuperación del sistema sobre ese interbloqueo, que básicamente se trata

de matar un proceso y recuperar sus recursos.

Esta recuperación puede ser manual o automática. La recuperación

automática es un tema difícil, ya que no se pueden establecer, fácilmente,

condiciones determinísticas para saber cuál es el proceso más adecuado de

eliminar. Existen algunas posibilidades:

El proceso con más recursos: se libera la mayor cantidad cantidad de

recursos, lo que permite continuar a la mayor cantidad de procesos. Se

deshace el "nudo" principal. Sin embargo tiene la desventaja que

normalmente será el proceso más importante, lo que implica el mayor daño,

o el mayor tiempo de repetición.

El proceso con menos recursos: se busca el menor daño, pero puede ser

que pocos procesos puedan continuar.

El proceso que esté involucrado en más ciclos o interbloqueos: se deshace

el mayor número de interbloqueos.

Sin embargo, hay que tomar en cuenta un criterio subjetivo: la

importancia del proceso, lo cual no está dado ni por la cantidad de recursos

que tiene asignados el proceso ni el número de interbloqueos en que está

involucrado. Lo cuál hace de la recuperación manual, una forma muy

recomendable, siempre y cuando se cuente con un operador entrenado en el

funcionamiento de los procesos del usuario.

Herramientas para el interbloqueo en los sistemas operativos existentes

SOLARIS

Utiliza la herramienta CAT (Crash Analysis Tool), que es parte del entorno

del sistema, y ayuda a analizar los archivos centrales del sistema. Esta

herramienta consiste en analizar la salida del desplome o error que se dio.

Esta herramienta genera archivos de salida en los cuales se describen las

causas que provocaron este estado en el sistema.

LINUX

Utiliza las siguientes herramientas:

GDB: Es una herramienta de rastreo y debugeo del kernel, con la

información obtenida en un error en el sistema.

INGO: Es un “perro guardián” que sirve para detectar y reportar los

interbloqueos.

SYSREQ: Permite observar las tareas, procesos y registros dentro del

kernel en caso de fallo.

KDB: Es un debugeador del kernel en línea de comando que sirve para

inspeccionar el estado de los procesos.

WINDOWS

Utiliza las siguientes herramientas:

WINDBG:

DBGMON:

I386KD: Es utilizado para cargar el archivo MEMORY.DMP, el que fue

generado por una computadora con WINDOWS NT. Este archivo contiene

información que puede ser observada para verificar la integridad del

sistema.

KD:

En general, la mayoría de herramientas sirven para observar el estado del

sistema, ya sea por el kernel o por archivos generados conteniendo la

información, y así poder saber el estado del sistema y que situaciones,

procesos y recursos se encuentran involucrados en llevar al sistema a su

estado actual.

Verifier.exe:a partir de WinXp, detecta interbloqueos en drivers

En Windows® XP La detección se presentó por medio del control orientado

a excepciones, que permite interceptar la cadena de control de excepciones

con propósitos de registro y diagnóstico. En Windows Vista™ Windows

Vista tiene una nueva API muy interesante denominada Cruce encadenado

con esperas (WCT). API Cruce permite determinar cuándo y por qué se

produce interbloqueo en un proceso. WCT notifica exactamente en qué

objeto de sincronización se encuentra el interbloqueo. Pero esta sólo

notifica un conjunto limitado de primitivas de sincronización. Aun con esta

limitante, resulta una API muy útil y que deseará tener en su kit de

herramientas de depuración. API de WCT Uso y sus limitaciones Uso

examina si un subproceso se encuentra en espera en una llamada de

bloqueo. Si el subproceso se encuentra en una llamada de bloqueo, busca el

objeto que el subproceso bloquea y determina, si es apropiado, el nombre

del objeto y qué subprocesos o procesos poseen ese objeto. Por ejemplo, si

el subproceso A espera que el proceso B complete la ejecución y el proceso

B invoca SendMessage para el proceso A, existe un interbloqueo que WCT

puede detectar y notificar. Limitaciones El único problema que observo con

la API de WCT es que no notifica interbloqueos cuando se usa

WaitForMultipleObjects, lo que reduce su utilidad en muchas aplicaciones.

Por ejemplo, la sincronización .NET usa WaitForMultipleObjects para toda la

coordinación de sincronizaciones. Aunque WCT no notificará que se produjo

un interbloqueo en el subproceso, notificará que el subproceso está

bloqueado. Lla API de WCT puede notificar los periodos de espera, por lo

que se puede decidir manualmente si se produjo interbloqueo en un

subproceso específico, a través de la inspección y comparación con una

herramienta como LockWatcher (parte de la descarga de código de este

artículo). WCT es una API típica de Win32®, lo cual significa que tiene que

obtener un identificador opaco, pasar ese identificador al método que

registra los datos y llamar a un formulario de CloseHandle cuando finalice.

La documentación del SDK de la plataforma muestra todo lo que se necesita

para inicializar y usar la API de WCT. En la inicialización, siempre deberá

llamar a la función RegisterWaitChainCOMCallback para registrar las

funciones COM CoGetCallState y CoGetActivationState para que WCT pueda

notificar al propietario COM. Dado que estas funciones no están

documentadas, necesitará obtenerlas de ole32.dll a través de

GetProcAddress. Para inicializar WCT, se debe usar la funcion

OpenThreadWaitChainSession exportada de advapi32.dll: