Adaptado por:

GIOVANNI ANDRÉS TOVAR CLAVIJO

Sistemas Operativos

PROGRAMACIÓN CONCURRENTE

PROGRAMACIÓN CONCURRENTE*

La programación concurrente es la simultaneidad en la ejecución de múltiples tareas interactivas. Estas tareas pueden ser un conjunto de procesos o hilos de ejecución creados por un único programa. Las tareas se pueden ejecutar en un sola CPU (multiprogramación), en varios procesadores o en una red de computadores distribuidos.

La programación concurrente está relacionada con la programación paralela, pero enfatiza más la interacción entre tareas. Así, la correcta secuencia de interacciones o comunicaciones entre los procesos y el acceso coordinado de recursos que se comparten por todos los procesos o tareas son las claves de esta temática.

* Circunstancia de suceder o producirse varias cosas en un mismo momento

Multitarea, Multiprogramación, Multiprocesos

La programación concurrente tiene capacidad para realizar varias tareas al mismo tiempo o muchas tareas en una sola PC con un procesador o varios.

Multitareas

Es la capacidad de un sistema operativo para ejecutar varios procesos al mismo tiempo corriendo sobre un procesador.

Con los sistemas operativos DOS esto era incapaz de realizarse.

Existen varios tipos de multitareas y son :

Multitarea NulaMultitarea CooperativaMultitarea PreferenteMultitarea Real

Multitarea Nula

Es aquel sistema operativo que carece de multitarea. Aún así puede simularla implementándola en un espacio de usuario o usando trucos como los TSR (terminate and stay resident. programa que se encuentra en la memoria del ordenador y que se puede activar accionando una secuencia especial de teclas) en MS-DOS. Justamente la familia DOS son ejemplos de sistemas operativos de multitarea nula.

Multitarea Cooperativa

Tipo de multitarea en donde los procesos de usuario son quienes ceden la CPU al sistema operativo a intervalos regulares.

Es sumamente problemático porque si por algún motivo el proceso de usuario es interrumpido, no cede la CPU al sistema operativo que lo ejecuta y, por lo tanto, quedará bloqueado.

Los sistemas operativos Windows antes de la versión 1995 implementaban este tipo de multitarea.

Multitarea Preferente

Multitarea en donde el SO se encarga de administrar uno o más procesadores, repartiendo el tiempo de uso del mismo entre los distintos procesos que esperan utilizarlo (tareas en ejecución).

En el caso de un solo procesador, cada proceso o tarea lo utiliza en períodos cortísimos de tiempo, lo que, en la práctica, da la sensación de que estuviesen ejecutándose al mismo tiempo. Los sistemas operativos que utilizan este tipo de multitareas son los UNIX y sus clones (Linux, etc), Windows NT, etc.

Multitarea Real

Multitarea en donde el SO ejecuta los procesos realmente al mismo tiempo haciendo uso de múltiples procesadores (2 o más). La ejecución realmente se realiza en distintos procesadores para cada proceso o tarea. Obviamente en el caso de que los procesos o tareas sean más que la cantidad de procesadores, éstos comienzan a ejecutarse en procesadores "en uso" en la forma de multitareas preferente. Todos los sistemas operativos modernos soportan esta capacidad.

Multiprogramación

Es la técnica que permite que dos o mas programas ocupen la misma unidad de memoria principal y que sean ejecutados al mismo tiempo.

La multiprogramación se refiere a dos o mas programas corriendo o procesándose al mismo tiempo; La multiprogramación se controla a través del sistema operativo, el cual observa los programas y los vigila hasta que estén concluidos.

El numero de programas que pueden multiprogramarse en forma efectiva, depende de una combinación de la cantidad de memoria, de la velocidad de la CPU y del número y velocidad de los recursos periféricos que tenga conectados, así como de la eficiencia del SO.

Principios de Concurrencia

En un sistema multiprogramado con un único procesador, los procesos se intercalan en el tiempo aparentando una ejecución simultánea. Aunque no se logra un procesamiento paralelo y produce una sobrecarga en los intercambios de procesos, la ejecución intercalada produce beneficios en la eficiencia del procesamiento y en la estructuración de los programas.

Principios de Concurrencia

La concurrencia es el punto clave en los conceptos de multitarea, multiprogramación y multiproceso, la concurrencia comprende un gran numero de cuestiones de diseño incluyendo la comunicación entre procesos, la compartición y competencia por los recursos, la sincronización de la ejecución de varios procesos y la asignación del procesador a los procesos, la concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes:

Varias aplicacionesAplicaciones estructuradasEstructura del sistema operativo

Varias aplicaciones

En este caso el tiempo de procesador de una máquina es compartido dinámicamente entre varios trabajos o aplicaciones activas.

Estructura del sistema operativo

Como resultado de la aplicación de la estructuración en el diseño del propio SO, de forma que este se implemente como un conjunto de procesos.

LABORES DEL SISTEMA OPERATIVO

Elementos de gestión y diseño que surgen por causa de la concurrencia:

1.El sistema operativo debe seguir a los distintos procesos activos.

2.El sistema operativo debe asignar y retirar los distintos recursos a cada proceso activo, entre estos se incluyen:

Tiempo de procesadorMemoriaArchivosDispositivos de E/S

3.El sistema operativo debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias* no intencionadas de otros procesos.

4.Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad a la que se realiza la ejecución de otros procesos concurrentes.

* Acción y resultado de injerirse o entrometerse en asuntos ajenos

Comunicación y Sincronización de Procesos

Puede verse la concurrencia de procesos como una ejecución simultánea de varios procesos. Si tenemos un multiprocesador la concurrencia parece clara, en un momento dado cada procesador ejecuta un proceso. Se puede ampliar el concepto de concurrencia si entendemos el procesado concurrente del sistema en conjunto: Varios procesos que se vean en un estado intermedio entre su estado inicial y final.

Cooperación entre Procesos:

La velocidad de un proceso depende de la frecuencia de la interrupción asociada a cada uno de ellos que un proceso se ejecuta asíncronamente con respecto a otro, es decir, sus ejecuciones son independientes. Sin embargo, hay ciertos instantes en lo que los procesos deben sincronizar sus actividades. Son estos puntos a partir de los cuales un proceso no puede progresar hasta que otro haya completado algún tipo de actividad.

Posibilidad de interacción de procesos

Las posibilidadades de interacción de los procesos pueden clasificarse en función del nivel de conocimiento que cada proceso requieren la existencia de los demás.

Un proceso no tiene en absoluto conocimiento de la existencia de los demás.

Que los procesos tengan un conocimiento indirecto de los otros procesos.

Tiene lugar cuando los procesos tienen conocimiento directo unos de otros por haber sido diseñados para trabajar conjuntamente el alguna actividad.

Necesidad de sincronización de los procesos: región critica y exclusión mutua

La sincronización entre procesos puede definirse como la necesidad que tienen algunos procesos de bloquearse en determinadas circunstancias y ser despertados cuando ocurren ciertos eventos. Un caso típico que muestra la necesidad de sincronización entre procesos es cuando un proceso inicia una lectura y va a utilizar en la siguiente instrucción la información leída. En este caso el proceso debe esperar a que se termine la operación de Entrada/Salida para continuar.

Gestión de procesos

Ejecución:

La Exclusión Mutua

La exclusión mutua la podríamos definir como una operación de control que permite la coordinación de procesos concurrentes (Comunicación requerida entre dos o mas procesos), y que tiene la capacidad de prohibir a

los demás procesos realizar una acción cuando un proceso haya obtenido el permiso.

Soluciones software para la Exclusión mutua:

Una manera es dejar la responsabilidad a los procesos que se deseen ejecutar concurrentemente, de esta manera los procesos deben coordinarse unos con otros para cumplir la exclusión mutua sin ayuda alguna, aunque estas soluciones son propensas a errores y a una fuerte carga de proceso (Algunos ejemplos de estas son: Algoritmo de Dekker y Algoritmo de Peterson).

Algoritmo de Dekker

Es un algoritmo de programación concurrente para exclusión mutua, que permite a dos procesos o hilos de ejecución compartir un recurso sin conflictos. Fue uno de los primeros algoritmos de exclusión mutua inventados, implementado por Edsger Diikstra.

Si ambos procesos intentan acceder a la sección crítica simultáneamente, el algoritmo elige un proceso según una variable turno. Si el otro proceso está ejecutando en su sección crítica, deberá esperar su finalización.

Existen cinco versiones del algoritmo Dekker, teniendo ciertos fallos los primeros cuatro. La versión 5 es la que trabaja más eficientemente, siendo una combinación de la 1 y la 4.

Algoritmo de Dekker

Versión 1: Alternancia estricta. Garantiza la exclusión mutua, pero su desventaja es que acopla los procesos fuertemente, esto significa que los

procesos lentos atrasan a los procesos rápidos.

Versión 2: Problema interbloqueo. No existe la alternancia, aunque ambos procesos caen a un mismo estado y nunca salen de ahí.

Versión 3: Colisión región crítica no garantiza la exclusión mutua. Este algoritmo no evita que dos procesos puedan acceder al mismo tiempo a la región critica.

Versión 4: Postergación indefinida. Aunque los procesos no están en interbloqueo, un proceso o varios se quedan esperando a que suceda un evento que tal vez nunca suceda.

Algoritmo de Peterson

Peterson desarrolló el primer algoritmo (1981) para dos procesos, fue una simplificación del algoritmo de Dekker para dos procesos. Posteriormente este algoritmo fue generalizado para que funcionara para N procesos. En el

algoritmo para N procesos las variables c[i] además de valer "verdadero" y "falso", pueden valer "en sección critica” y turno desde 1 hasta N. El procedimiento es una generalización de este c[i], que es un array y turno, que solo puede valer 1 o 2. Este algoritmo garantiza la exclusión mutua debido al uso de una variable compartida: turno, que se chequea cada vez.

Inicialmente, c[0]=c[1]=falso, y el valor de turno no tiene relevancia (pero debe ser 0 o 1). Para entrar en la sección crítica, el proceso P[i] primero asigna el valor verdadero a c[i] y luego afirma que es el turno del otro proceso para entrar si así lo desea (turno = j). Si ambos procesos tratan de entrar a la vez, se asignará turno como i y j aproximadamente al mismo tiempo. Sólo una de estas asignaciones durará; la otra ocurrirá, pero será reemplazada de inmediato. El valor eventual de turno decide a cuál de los dos procesos se le permitirá entrar primero en su sección crítica.

Semáforos

Los semáforos pueden contemplarse como variables que tienen un valor entero sobre las que se definen las tres operaciones siguientes:

Un semáforo puede inicializarse con un valor negativo. Un semáforo puede inicializarse con un valor no negativo.

La operación WAIT decrementa el valor del semáforo. Si el valor se hace negativo, el proceso que ejecuta WAIT queda bloqueado.

La operación SIGNAL incrementa el valor del semáforo. Si el valor no es positivo, se desbloquea a un proceso bloqueado previamente por una operación WAIT.

Monitores

Un monitor es, esencialmente, una colección de datos y de procedimientos para su manipulación junto con una secuencia de inicialización. Las variables de datos globales son generalmente privadas al monitor por lo que solo son accesibles a los procedimientos de este. Los procedimientos del monitor podrán ser públicos o privados. Un monitor puede considerarse como una estructura estática que se activa únicamente cuando alguno de sus procedimientos públicos es llamado por un proceso en ejecución y se dice, entonces, que el proceso en cuestión entra o tiene acceso al monitor. Solamente un proceso puede estar ejecutándose en el monitor en un instante determinado. Una estructura de datos compartida puede así protegerse situándola dentro de un monitor que ofrecerá un servicio de exclusión mutua para dicha estructura. Para que resulten útiles en el procesamiento concurrente, los monitores deben incluir alguna herramienta de sincronización de forma que se impida el acceso al monitor a un proceso cuando otro esta ejecutando dentro de el. Esta sincronización se consigue por medio paso de mensajes.