Sistemas Operacionais

Sistemas MultiprogramveisOs sistemas multiprogramveis surgiram na dcada de 60, passou a ser possvel estruturar aplicaes de maneira que partes diferentes do cdigo do programa pudessem executar concorrentemente.Este tipo de aplicao, denominada aplicao concorrente, tem como base a execuo cooperativa de mltiplos processos ou threads, que trabalham em uma mesma tarefa na busca de um resultado comum.

Sistemas MultiprogramveisEm sistemas multiprogramveis com um nico processador, os processos alternam sua execuo segundo critrios de escalonamento estabelecidos pelo Sistema Operacional, mesmo no havendo paralelismo na execuo das instrues, ocorre significativo ganho de desempenho.Em sistemas multiprocessados, as vantagens so ainda maiores graas a possibilidade de paralelismo na execuo das instrues.

Sistemas Multiprogramveis natural que processos de uma aplicao concorrente compartilhemrecursos do sistema, como arquivos, registros, dispositivos de E/S e reas de memria.O compartilhamento de recursos entre os processos pode ocasionar situaes indesejveis, capazes at de comprometer a execuo das aplicaes.

Comunicao e SincronizaoMuitas vezes, em uma aplicao concorrente, necessrio que processos comuniquem-se entre si, e essa comunicao pode ser implementada de diversos mecanismos, como variveis compartilhadas na memria principal ou troca de mensagens.

Nesta situao, necessrio que os processos tenham sua execuosincronizada pelo sistemaoperacional.

Comunicao e SincronizaoPor exemplo, podemos ter dois processos concorrentes compartilhando um buffer para trocar informaes atravs de operaes de gravao e leitura, onde ambos os processos necessitam aguardar que o buffer esteja pronto.

Comunicao e SincronizaoPara cooperar, processos precisam se comunicar e se sincronizar. Mas cada um dos processos podem ser executados com velocidades diferentes.

Problemas de Compartilhamento de RecursoAlguns problemas que podem ocorrer devido falha na sincronizao entre processos concorrentes.Primeiro exemplo o problema do programa Conta_Corrente, que atualiza o saldo bancrio de um cliente aps um lanamento de dbito ou crdito noarquivo de contas-correntes Arq_Contas.

Problemas de CompartilhamentodeRecursoPROGRAM Conta_Corrente;..READ (Arq_Contas, Reg_Cliente);READLN (Valor_Dep_Ret);Reg_Cliente.Saldo := Reg_Cliente.Saldo+ Valor_Dep_Ret;WRITE (Arq_Contas, Reg_Cliente);..END.

Problemas de SimultaneidadeConsiderando processos concorrentes pertencentes a dois funcionrios do banco (caixas), que atualizam o saldo de um mesmo cliente simultaneamente, a situao de compartilhamento do recurso pode ser analisada.Supondo que o primeiro caixa ir ler o saldo do cliente e adicionar o valor de um lanamento.Neste mesmo instante outro caixa ir efetuar uma outra operao de atualizao no saldo do mesmo cliente, realizando outro lanamento.Independentemente de qual dos atualize primeiro o saldo no arquivo, o dado gravado estar inconsistente!

Problemas de Simultaneidade

Condies de CorridaAnalisando o exemplo apresentado, possvel concluir que emqualquer situao, onde dois ou mais processos compartilham um mesmo recurso, devem existir mecanismos de controle para evitar esses tipos de problemas, conhecidos como condies de corrida (race conditions ).Ocorre quando?Quando processos esto lendo ou escrevendo dados compartilhados e oresultado final depende de qual processo executa e quando (em que ordem)este executa.

Excluso MtuaA soluo mais simples para evitar os problemas de compartilhamento apresentados impedir que dois ou mais processos acessem um mesmo recurso simultaneamente.Para isso, enquanto um processo estiver acessando determinado recurso, todos os demais processos que queiram acess-lo devero esperar pelo trmino da utilizao do recurso.Essa idia de exclusividade de acesso chamada de excluso mtua (mutual exclusion).

Regies CrticasA excluso mtua deve afetar apenas os processos concorrentes somente quando um deles estiver fazendo acesso ao recurso compartilhado.A parte do cdigo do programa onde feito o acesso ao recurso compartilhado denominada regio crtica (critical region).Se for possvel evitar que dois processos entre em suas regies crticas ao mesmo tempo, ou seja, se for garantida a execuo mutuamente exclusiva das regies crticas, os problemas decorrentes do compartilhamento sero evitados.

Regies CrticasOs mecanismos que implementam a excluso mtua utilizam protocolos de acesso regio crtica.Toda vez que um processo desejar executar uma instruo de sua regio crtica, dever obrigatoriamente executar antes um protocolo de entrada nesta regio.Da mesma forma, ao sair da regio crtica um protocolo de sada dever ser executado.Estes protocolos garantem a excluso mtua da regio crtica do programa.

RegiesCrticasBEGIN..Entra_Na_Regiao_Crtica;/*protocolo de entrada */Regiao_Crtica;/* operaes executadas */Sai_Da_Regiao_Crtica;..END./* protocolo de sada */

Espera IndefinidaEstas solues propostas para o acesso sincronizado devem garantir a excluso mtua e tambm evitar que duas outras situaes indesejadas ocorram.A primeira situao indesejada conhecida como espera indefinida (starvation).Starvation a situao em que um processo nunca consegue executar sua regio crtica e, consequentemente, acessar o recurso compartilhado.Quando um determinado recurso liberado, o Sistema Operacional ir selecionar qual ser o prximo processo que far uso do mesmo.

Espera IndefinidaEste critrio de escolha poder ocasionar uma espera indefinida, quando for utilizado critrio baseado em escolha aleatria ou em funo da prioridade do processo (processos de baixa prioridade sero prejudicados).A soluo implementar uma fila, atravs do esquema FIFO, garantindo que todos os processos que necessitem do recurso faam seu uso em algum momento.Outra situao indesejvel quando um processo fora de sua regio crtica impede que outros processos entrem em suas prprias regies crticas.Isto ocorre devido ao fato do recurso estar livre, porm ainda alocado a um processo, impedindo que os demais utilizem o recurso.

Mecanismos de SincronizaoSincronizao CondicionalEntre os mecanismos de sincronizao, a sincronizao condicional uma situao onde o acesso ao recurso compartilhado exige a sincronizao de processos vinculada a uma condio de acesso.Um recurso pode no se encontrar pronto para uso devido a uma condio especfica.Nesse caso, o processo que deseja acess-lo dever permanecer bloqueado at que o recurso fique disponvel.

Mecanismos de SincronizaoUm exemplo clssico desse tipo de sincronizao a comunicao entre dois processos atravs de operaes de gravao e leitura em um buffer, onde os processos que geram informaes (processos produtores) utilizadas por outros processos (processos consumidores).

Mecanismos de SincronizaoNessa comunicao, enquanto um processo grava dados em um buffer, o outro l os dados, concorrentemente.Os processos envolvidos devem estar sincronizados a uma varivel de condio, de forma que um processo no tente gravar dados em um buffer cheio ou realizar uma leitura em um buffer vazio.Este problema sincronizao conhecido como problema do produtor / consumidor ou do buffer limitado.

Mecanismos de SincronizaoSemforosO conceito de semforos foi proposto por E. W. Dijkstra em 1965, sendoapresentado como um mecanismo de sincronizao que permitia implementar, de forma simples, a excluso mtua e sincronizao condicional entre processos.

De fato, o uso de semforos tornou-se um dos principais mecanismos utilizados em projetos de sistemas operacionais e em aplicaes concorrentes.Um semforo uma varivel inteira, no-negativa, que s pode ser manipulada por duas instrues: DOWN e UP,Estas instrues so indivisveis, isto , no pode ser interrompida.

Mecanismos de SincronizaoSemforos so classificados em dois tipos:- Semforos binrios: chamados de mutexes (mutual exclusion semaphores), s podem assumir valores 0 e 1.Permitem a implementao da excluso mtua e so utilizados nos casos onde a sincronizao condicional exigida.- Semforos contadores: podem assumir qualquer valor inteiro positivo, alm do 0.Semforos contadores so teis quando aplicados em problemas de sincronizao condicional onde existem processo concorrentes alocando recursos do mesmo tipo.

Mecanismos de Sincronizao

Mecanismos de SincronizaoMonitoresSo mecanismos de sincronizao de alto nvel que tornam mais simples desenvolvimento de aplicaes concorrentes.oO conceito de monitores foi proposto , como um mecanismo de sincronizao estruturado, ao contrrio dos semforos, que so considerados no-estruturados.Estes mecanismos so alto nvel e estruturados em funo de serem implementados pelo compilador, possibilitando que o desenvolvimento de programas concorrentes fique mais fcil e com chances menores de erros.O monitor formado por procedimentos e variveis encapsulados dentro de um mdulo, implementando de forma automtica a excluso mtua entre os procedimentos declarados.

Mecanismos de SincronizaoToda vez que algum processo faz uma chamada a um procedimento, o monitor verifica se j existe outro processo executando algum procedimento do monitor.

Caso exista, o processo ficar aguardando a sua vez em uma fila de entrada.A implementao da excluso mtua via monitores no implementadadiretamente pelo programador, assim como no caso do uso dos semforos, o prprio compilador encarrega-se de garantir a excluso mtua entre os procedimentos previamente definidos.

Mecanismos de Sincronizao

Mecanismos de SincronizaoTroca de MensagensTambm um mecanismo de comunicao e sincronizao entre processos.O sistema operacional possui um subsistema de mensagens que suporta esse mecanismo sem que haja a necessidade do uso de variveis compartilhadas.Para que ocorra a comunicao entre os processos, deve existir um canal de comunicao, podendo esse meio ser um buffer ou um link de uma rede de computadores.

Mecanismos de SincronizaoOs processos cooperativos podem fazer uso de um buffer para trocar mensagens atravs de duas rotinas: SEND (transmissor, mensagem) e RECEIVE (receptor, mensagem).

A rotina SEND permite o envio de uma mensagem para um processoreceptor, enquanto a rotina RECEIVE possibilita o recebimento de mensagemenviada por um processo transmissor.

Mecanismos de Sincronizao.O mecanismo de troca de mensagens exige que os processos envolvidos na comunicao tenham suas execues sincronizadas

A troca de mensagens entre os processos pode ser implementada de duas maneiras distintas: comunicao direta e comunicao indireta.Comunicao direta entre dois processos exige que, ao enviar ou receber uma mensagem, o processo enderece explicitamente o nome do processo receptor ou transmissor.Uma caracterstica deste tipo de comunicao s permitir a troca de mensagem entre dois processos.

Mecanismos de SincronizaoA comunicao indireta entre processos utiliza uma rea compartilhada, onde as mensagens podem ser colocadas pelo processo transmissor e retiradas pelo receptor.

Esse tipo de buffer conhecido como mailbox ou port, e suas caractersticas, como identificao e capacidade de armazenamento de mensagens, so definidas no momento de criao.Na comunicao indireta, vrios processos podem estar associados a mailbox, e os parmetros dos procedimentos SEND e RECEIVE passam a ser nomes de mailboxes e no mais nomes de processos.

DeadlockDeadlock ( espera circular ) a situao em que um processo aguarda por um recurso que nunca estar disponvel ou um evento que nunca ocorrer.

Essa situao consequncia, na maioria das vezes, do compartilhamento de recursos, como dispositivos, arquivos e registros, entre processos recorrentes onde a excluso mtua exigida.

DeadlockPara que ocorra a situao de deadlock, 4 condies so necessrias simultaneamente:1 Excluso mtua: cada recurso s pode estar alocado a um nico processo em um determinado instante;2 Espera por recurso: um processo, alm dos recursos j alocados, pode estar esperando por outros recursos;3 No-preempo: um recurso no pode ser liberado de um processo s porque outros processos desejam o mesmo recurso;4 Espera circular: um processo pode ter de esperar por um recurso alocado a outro processo e vice-versa.Problemas de deadlock existem em qualquer sistema multiprogramvel e as solues implementadas devem considerar o tipo do sistema e o impacto em seu desempenho.

Deadlock - PrevenoComo vimos, para que um deadlock ocorra, todas as quatro condies listadas devem ocorrer simultaneamente.Isto quer dizer que se garantirmos que somente uma delas no possa ocorrer, estaremos prevenindo a ocorrncia de deadlocks em um determinado sistema.

Deadlock - PrevenoExaminemos as quatro condies separadamente:1 - Negando a Condio de Excluso MtuaConforme j foi visto, a condio de excluso mtua no deve ser negada, pois dois processos acessando um recurso simultaneamente poderiam levar o sistema a uma situao de caos.Imagine o exemplo de dois processos acessandouma mesma impressora ao mesmo tempo!Uma soluo utilizar um sistema de spool, onde um nico processo de spool acessa a impressora diretamente, e no acessa nenhum outro recurso. Uma vez que os processos no imprimem diretamente, e o processo de spool acessa somente o recurso impressora, deadlocks no podem ocorrer.O problema que nem todos os recursos podem ser alocados via spooling.

Deadlock - Preveno2- Negando a Condio Esperar por Recurso (Hold and Wait)A primeira estratgia requer que todos os recursos que um processo precise devem ser requisitados de uma s vez.O sistema deve liberar os recursos segundo uma poltica tudo ou nada. Se todos os recursos que o processo requisitou esto disponveis, ento o sistema pode aloc-los todos de uma vez ao processo, que poder prosseguir.Se, por outro lado, nem todos os recursos requisitados esto disponveis, ento o processo deve esperar at que todos eles estejam disponveis. Enquanto o processo espera, entretanto, ele no deve deter nenhum recurso.Esta soluo parece ser boa, mas pode levar a um srio desperdcio de recursos.Outro problema a possibilidade de um processo requisitando todos os seus recursos de uma s vez ficar indefinidamente esperando.

Deadlock - Preveno3- Negando a Condio No-Preempo (No Preemption)Negar a condio de no-preempo uma estratgia ainda pior do que a anterior.Para vrios recursos, como uma impressora, no interessante que um processo os perca durante seu uso.

Deadlock - Preveno4- Negando a Condio Espera Circular (Circular Wait)A condio circular wait pode ser eliminada de vrias formas.Uma maneira simplesmente estabelecer uma regra que diga que um processo s pode alocar um nico recurso em um dado momento. Se ele precisa de um segundo recurso, deve liberar o primeiro.Para um processo que necessita copiar um arquivo muito grande para uma impressora (o processo de spooling, por exemplo), isto inaceitvel.Uma estratgia melhor seria que todos os recursos devem ser numerados em ordem crescente.Assim, processos podem requisitar recursos sempre que quiserem, mas todas as requisies devem ser em ordem crescente de numerao.

Deadlock - Preveno4- Negando a Condio Espera Circular (Circular Wait)A condio circular wait pode ser eliminada de vrias formas.Uma maneira simplesmente estabelecer uma regra que diga que um processo s pode alocar um nico recurso em um dado momento. Se ele precisa de um segundo recurso, deve liberar oprimeiro.Para um processo que necessita copiar um arquivo muito grande para uma impressora (o processo de spooling, por exemplo), isto inaceitvel.Uma estratgia melhor seria que todos os recursos devem ser numerados em ordem crescente.Assim, processos podem requisitar recursos sempre que quiserem, mas todas as requisies devem ser em ordem crescente de numerao.