2.7. Principios Generales de concurrencia.

Es aparente que las nociones de procesos y recursos están estrechamente vinculadas. Un proceso es una tarea, identificada como una secuencia de instrucciones ejecutándose, o una colección de instrucciones formando un programa. Un recurso, por otra parte, es un término incluido en el sistema operativo, como también impresoras, discos, cintas de discos, procesos y repartos de la capacidad de memoria. Sin embargo, los recursos no son tratados en forma igualitaria por el S.O. y dependiendo de su cinta, tratará los procesos en forma diferente.

       Los recursos no expropiables (No Preemption) son usados por los procesos que requieren una utilización de recursos ininterrumpidos. Los recursos expropiables (Preemption) requieren un control del S.O. para cambiar correctamente la utilización de los recursos.

       En un sistema multiprogramado (se llama multiprogramación a la gestión de varios procesos dentro de un sistema monoprocesador), los procesos se intercalan en el tiempo para dar la apariencia de ejecución simultánea, aunque no se consigue un proceso paralelo real y aunque se produce una cierta sobrecarga en los intercambios de procesos de un sitio a otro, la ejecución intercalada produce beneficios importantes en la eficiencia del procesamiento y en la estructuración de los programas.

       En un sistema con varios procesadores, no sólo es posible intercalar los procesos, sino también superponerlos. Ambas técnicas, la intercalación y la superposición, pueden contemplarse como ejemplos de proceso concurrente y ambas plantean los mismos problemas. En el caso de un sistema monoprocesador, los problemas creados por la multiprogramación parten del hecho de que la velocidad relativa de ejecución de los procesos no puede predecirse. Depende de la actividad de otros procesos, de la forma en que el sistema operativo trata las interrupciones y de las políticas de planificación.

       La concurrencia comprende un gran número de cuestiones de diseño, incluyendo la comunicación entre procesos, compartición y competencia por los recursos, sincronización de la ejecución de varios procesos y asignación del tiempo de procesador a los procesos.

Labores del Sistema Operativo

       Hay algunos elementos de gestión y diseño que surgen por causa de la concurrencia. Se pueden enumerar los siguientes:

-          El S.O. debe ser capaz de seguir la pista de los distintos procesos activos. Esto lo hace por medio de los PCB.

-          El S.O. debe asignar y quitar los distintos recursos a cada proceso activo.

-          El S.O. debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias no intencionadas de otros procesos

-          Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad relativa a la que se realiza la ejecución con respecto a otros procesos concurrentes.

Condiciones de concurrencia (Berstein)

       Debe darse un conjunto de condiciones para que se puedan ejecutar varios procesos a la vez.

       Un conjunto de lectura R(S_i) de la sentencia S_i es aquel formado por todas las variable que son referenciadas por la sentencia S_i durante su ejecución sin sufrir cambios.

       Un conjunto de escritura W (S_i) de la sentencia S_i es aquel formado por todas las variable cuyos valores son modificados durante su ejecución.

       Dos sentencias Si y Sj pueden ejecutarse concurrentemente (produciendo igual resultado que la ejecución secuencial) si y solo si cumplen las siguientes condiciones:

R (Si) Ç W (Sj) = Æ

R (Sj) Ç W (Si) = Æ    

W (Si) Ç W (Sj) = Æ   

       Existen diversas notaciones para especificar actividades concurrentes. Entre ellas, las instrucciones fork-join (no estructurados) y cobegin-coend (estructurados).

       Un proceso es independiente si no puede afectar o ser afectado por otros procesos corriendo en el sistema. Un proceso es interactuante si puede afectar o ser afectado por otros procesos.

       Los procesos que se ejecutan, no lo hacen a la misma velocidad. Por ello, aparece una race condition (condición de carrera o de concurso), que es la situación en la cual el resultado de la ejecución de dos o más procesos interactuantes depende del orden de ejecución de los mismos.

INTERACCIÓN ENTRE PROCESOS

       Es posible clasificar las interacciones entre procesos en función del nivel de conocimiento que cada proceso tiene de la existencia de los demás. Existen tres niveles de conocimientos:

§         Los procesos no tienen conocimiento de los demás: estos son procesos independientes que no están pensados para operar juntos. El S.O. tiene que encargarse de la competencia por los recursos. Los resultados de un proceso son independientes de las acciones de los otros procesos.

§         Los procesos tienen un conocimiento indirecto de los otros: los procesos no conocen a los otros por su nombre, pero comparte el acceso a algunos objetos, tales como un buffer de E/S o un archivo o una porción de memoria. Estos procesos muestran cooperación para compartir el objeto común. Los resultados de un proceso pueden depender de la información obtenida de los otros. Este es el nivel de conocimiento menos frecuente, pero el más grave porque debemos tener la información actualizada. Podemos permitir lecturas simultáneas y para ello se hacen copias para que cada proceso lea de su propia copia. Las escrituras se hacen en una copia primaria y el S.O. debe actualizar todas las otras copias para mantener la actualización y coherencia de datos.

§         Los procesos tienen conocimiento directo de los otros: los procesos son capaces de comunicarse con los demás por el nombre y están diseñados para trabajar conjuntamente en alguna actividad. Estos procesos muestran cooperación por comunicación. Los resultados de un proceso pueden depender de la información obtenida de los otros.

Competencia entre los procesos por los recursos

       Los procesos concurrentes entran en conflicto cuando compiten por el uso del mismo recurso. Cada proceso debe dejar tal y como esté el estado de cualquier recurso que utilice. Aunque no hay intercambio de información entre los procesos en competencia, la ejecución de un proceso puede influir en el comportamiento de los procesos que compiten. En particular, si dos procesos desean acceder a un único recurso, el S.O. le asignará el recurso a uno de ellos y el otro tendrá que esperar. Por lo tanto, el proceso al que se le niega el acceso quedará bloqueado y se retrasará. En el peor caso, el proceso bloqueado puede que no consiga nunca acceder al recurso y, por tanto, no terminará con éxito nunca.

       En el caso que haya procesos en competencia, se deben solucionar tres problemas de control:

1.       Exclusión mutua: supóngase que dos procesos quieren acceder a un único recurso no compartible. A estos recursos se los llama recursos críticos y la parte del programa que los utiliza se conoce como sección crítica del programa. Es importante que sólo un programa pueda acceder a su sección crítica en un momento dado. Hacer que se cumpla la exclusión mutua crea los dos problemas mencionados a continuación.

2.       Interbloqueo (deadlock): considérese dos procesos P1 y P2 y dos recursos críticos R1 y R2. Supóngase que cada proceso necesita acceder a ambos recursos para llevar a cabo una parte de su función. En tal caso, es posible que el S.O. asigne R1 a P2 y R2 a P1. Cada proceso está esperando a uno de los dos recursos y ninguno liberará el recurso que ya posee hasta que adquiera el otro y ejecute su sección crítica. Ambos procesos están interbloqueados. En otra situación que se da interbloqueo es cuando dos procesos están bloqueados en un receive() y esperan un mensaje que nunca les va a llegar.

3.       Inanición (starvation): es cuando un proceso se queda esperando un recurso indefinidamente. Esto se soluciona asignándoles mayor prioridad a los procesos para que obtengan pronto el recurso que solicitan y no caigan en inanición (Envejecimiento o Aging).

Cooperación entre procesos por compartición

       Varios procesos pueden tener acceso a variables compartidas, archivos o bases de datos compartidas. Los procesos pueden emplear y actualizar los datos compartidos sin hacer referencia a los otros procesos, pero son conscientes de que estos otros pueden tener acceso a los mismos datos. Así pues, los procesos deben cooperar para asegurar que los datos que se comparten se gestionen correctamente. Los mecanismos de control deben garantizar la integridad de los datos. Puesto que los datos se guardan en recursos (dispositivos, memoria), también se presentan los problemas de control de exclusión mutua, interbloqueo e inanición. La única diferencia es que se puede acceder a los datos de dos formas distintas, para lectura y para escritura. Sólo las operaciones de escritura deben ser mutuamente excluyentes. Sin embargo, antes que estos problemas, se debe introducir un nuevo requisito: la coherencia de los datos. En este caso, la secuencia completa de cada proceso se puede declarar como sección crítica para garantizar la integridad de los datos, incluso aunque ningún recurso crítico se vea involucrado.

Cooperación entre procesos por comunicación

      

En los dos casos ya expuestos cada proceso posee su propio entorno aislado, que no incluye a los otros procesos; las interacciones entre los procesos son indirectas. Cuando los procesos cooperan por comunicación, en cambio, los distintos procesos participan en una labor común que une a todos los procesos. La comunicación es una manera de sincronizar o coordinar las distintas actividades. Normalmente, la comunicación puede caracterizarse por estar formada por mensajes de algún tipo. Las primitivas para enviar y recibir mensajes pueden venir dadas como parte del lenguaje de programación o por el núcleo del S.O.

Grado de Conocimiento	Relación	Posibles problemas de control
Los procesos no tienen conocimiento de los demás	Competencia	Exclusión mutua Interbloqueo Inanición
Los procesos tienen conocimiento indirecto de los otros	Cooperación por compartición	Exclusión mutua Interbloqueo Inanición Coherencia de datos
Los procesos tienen conocimiento directo de los otros	Cooperación por comunicación	Interbloqueo Inanición

Región Crítica. Protocolo de sincronización.

       Los puntos de entrada de un recurso indican la cantidad de procesos que pueden utilizar simultáneamente al mismo. Si un recurso tiene sólo un punto de entrada, se lo denomina recurso crítico o recurso no compartible.

       Región crítica de un proceso es la fase o etapa en la vida de ese proceso concurrente en la cual accede a un recurso crítico para modificarlo o alterarlo.

       El uso adecuado de la concurrencia entre procesos exige la capacidad de definir secciones críticas y hacer cumplir la exclusión mutua. Cualquier servicio o capacidad que dé soporte para la exclusión mutua debe cumplir con un protocolo de sincronización, que tiene los requisitos siguientes:

Debe cumplirse la exclusión mutua: sólo un proceso de entre todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso u objeto compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un instante dado.

Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin estorbar a los otros. Es decir que si se cuelga un proceso que está usando un recurso, los demás procesos que esperan deben poder acceder al recurso de todas formas (el S.O. mata al proceso que se colgó y así libera al recurso). 

No se puede demorar indefinidamente la entrada de un proceso a un cierto recurso; no debe permitirse el interbloqueo y la inanición. Todos los procesos deben poder acceder al recurso que solicitan, sino se van a morir sin usarlo y no es justo.

Cuando ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin dilatación. Es decir, si nadie está usando un cierto recurso, entonces se le otorga al primer proceso que lo solicite.

No se pueden hacer suposiciones sobre la velocidad relativa de los procesos o su número (cantidad de procesadores). Nunca se puede saber a priori si a un proceso le falta mucho o poco para terminar.

Un proceso permanece en su sección crítica sólo por un tiempo finito. Esto sirve para evitar que un proceso se quede con un recurso por mucho tiempo y para que un recurso no se quede trabado sin sentido.

2.6 Concurrencia: exclusión mutua y sincronización

Los temas fundamentales del diseño de sistemas operativos están relacionados con la gestión de procesos e hilos:

• Multiprogramación: consiste en la gestión de varios procesos dentro de un sistema mono-procesador.

• Multiprocesamiento: consiste en la gestión de varios procesos, dentro de un sistema multiprocesador.

• Procesamiento distribuido: consiste en la gestión de varios procesos, ejecutándose en sistemas de computadores múltiples y distribuidos. La reciente proliferación de las agrupaciones es el principal ejemplo de este tipo de sistemas.

La concurrencia es fundamental en todas estas áreas y para el diseño sistemas operativos. La concurrencia comprende un gran número de cuestiones de diseño, incluida la comunicación entre procesos, compartición y competencia por los recursos, sincronización de la ejecución de varios procesos y asignación del tiempo de procesador a los procesos. Se verá que estas cuestiones no solo surgen en entornos de multiprocesadores y proceso distribuido, sino incluso en sistemas multiprogramados con un solo procesador.

La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes:

• Múltiples aplicaciones: la multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varias aplicaciones activas.

• Aplicaciones estructuradas: como ampliación de los principios del diseño modular y la programación estructurada, algunas aplicaciones pueden implementarse eficazmente como un conjunto de procesos concurrentes.

• Estructura del sistema operativo: las mismas ventajas de estructuración son aplicables a los programadores de sistemas y se ha comprobado que algunos sistemas operativos están implementados como un conjunto de procesos o hilos.

PRINCIPIOS GENERALES DE LA CONCURRENCIA

En un sistema multiprogramados con un único procesador, los procesos se intercalan en el tiempo aparentando una ejecución simultánea.

La intercalación y la superposición pueden contemplarse como ejemplos de procesamiento concurrente en un sistema monoprocesador, los problemas son consecuencia de la velocidad de ejecución de los procesos que no pueden predecirse y depende de las actividades de otros procesos, de la forma en que el sistema operativo trata las interrupciones surgen las siguientes dificultades:

Compartir recursos globales es riesgoso Para el sistema operativo es difícil gestionar la asignación óptima de recursos.

El hecho de compartir recursos ocasiona problemas, por esto es necesario proteger a dichos recursos.

Procesos e Hilos

1. Definición de proceso.

Espíritu animado de un programa

Es una ejecución concreta de un programa, con un camino determinado y un valor de sus variables determinados.

La unidad mínima de expedición y de asignación de recursos es el proceso.

2.   Estados en los que puede estar un proceso.

• Listo. Tiene todo lo necesario para ejecutarse excepto el procesador.
• Suspendido. No está en memoria principal.
• Bloqueado. Está esperando un evento.
• Bloqueado y suspendido.
• Listo y suspendido.

3. Tareas e hilos.

Unidad mínima de asignación: tarea.

Unidad mínima de expedición: hilo.

Dos hilos de una misma tarea (denominados hilos pares) comparten el segmento de código, el segmento de datos y un espacio de pila, es decir, los recursos asignados a la tarea.

Podemos captar la funcionalidad de los hilos si comparamos el control de múltiples hilos con el control de múltiples procesos. En el caso de los procesos, cada uno opera independientemente de los otros; cada proceso tiene su propio contador de programa, registro de pila, y espacio de direcciones. Este tipo de organización es muy útil cuando los trabajos que los procesos efectúan no tienen ninguna relación entre sí.

Pero cuando los trabajos a realizar van a necesitar, por ejemplo, la llamada a una misma función o bien, la compartición de una variable en memoria, nos interesará englobarlos en una tarea.

Control de procesos

La mayoría de los procesadores dan soporte para dos modos de ejecución por lo menos. Ciertas instrucciones pueden ejecutarse sólo en modo privilegiado. Entre éstas están la lectura o modificación de registros de control (como la palabra de estado del programa), instrucciones primitivas de E/S e instrucciones relativas a la gestión de memoria. Además, se puede acceder a ciertas regiones de memoria sólo en el modo más privilegiado.

El modo menos privilegiado a menudo se conoce como modo de usuario, ya que los pro¬ gramas de usuario ejecutan normalmente en ese modo. Al modo más privilegiado normal¬ mente se le conoce como modo del sistema, modo de controlo modo del núcleo. Este último término se refiere al núcleo del sistema operativo, que es la parte del sistema operativo que lleva a cabo las funciones importantes del sistema. La tabla 3.10 enumera las funciones que normalmente se hallan en el núcleo de un sistema operativo.

La razón por la que se usan dos modos debe quedar clara. Es necesario proteger al sistema operativo y a las tablas importantes del mismo, tales como los bloques de control de procesos, de las injerencias de los programas de usuario. En el modo del núcleo, el software tiene control completo del procesador y de todas sus instrucciones, registros y memoria. Este nivel de con¬ trol no es necesario y, por seguridad, tampoco conveniente para los programas de usuario.

Surgen dos preguntas: ¿Cómo conoce el procesador en qué modo va a ejecutar? ¿Cómo se cambia de modo? Para la primera pregunta, normalmente hay un bit en la PSW que indica el modo de ejecución. El bit es cambiado como respuesta a ciertos sucesos. Por ejemplo, cuando un usuario hace una llamada a un servicio del sistema operativo, el modo se cambia al de núcleo. Esto se suele llevar a cabo ejecutando una instrucción que cambia el modo. Un ejemplo de cómo se hace esto es la instrucción de Cambio de Modo (CHM, Change Mode) del VAX.

2.3.1 Modelo de 5 estados

Modelo un proceso pude encontrarse en cualquiera de los 5 estados.

1.- Estado Nuevo: Este estado corresponderá a procesos que           acaban de ser definidos pero que aun no ha sido admitidos por

el sistema operativo.

Principal motivación para la existencia de este estado es la limitación por parte del SO del número total de procesos activos por razones de rendimiento o por las restricciones impuestas por la capacidad de la memoria.

2.-Estedo de ejecuciones este estado se encuentra el proceso que tiene el control del procesador.

3.- Estado de Listo o Preparado: En este estados encontrará aquellos procesos que dispongan de todos los recursos necesarios para comenzar o proseguir su elección y se encuentra  a la espera de que se conceda el control de procesador.

4.- Estado Bloqueado:  En este estado se encuentran aquellos procesos que carecen de algún recurso necesario para su ejecución siendo este recurso distinto procesador.

5.- Estado Terminado: A este estado pertenecen aquellos proceso excluidos por  SO del grupo de procesos ejecutables.

2.3.- ESTADO DE PROCESOS

Es un programa que destina a ser ejecutadas por el microprocesador. En su estado de ejecución en un momento dado, esto es, los valores de los registros de la unidad central de procesamiento para dicho programa.

La memoria que ha reservado y sus contenidos. Otra información que permite al sistema operático su planificación.

2.2.- DEFINICION DE PROCESOS

Que es un proceso?

ES  un programa es una secuencia de instrucciones que están escrita en un lenguaje y un proceso es una instancia de ejecución de un programa caracterizado por ciertos procesos :

·         Contador de programa

·         Palabra de estados

·         Su registro  del procesador

·         Segmento de texto

·         Pila y datos entre otros.

El proceso una definición tradicional de proceso es la instancia de un programa en ejecución. La ejecución de tal programa es indicada al SO mediante una acción u orden especializada.

Los procesos son gestionados por el sistema operativo y están formados por_

v  Las instrucciones de un programa destinada

v  su estado der ejecución en un momento dado

v  su memoria de trabajo

v  u otros informaciones que permite al sistema operativo su planificación

Estos programas es mas probable o posible que  un sistema multiusuario por cada una de estas ejecuciones existirán un proceso o yn contador de programa , registrados entre otros .

El sistema operático necesita el concepto de proceso poder gestionar el procesador mediante la técnica de multiprogramación o tiempo compartico.