PDF de programación - Master en Computación - Programación Concurrente - Bloque II: Programación concurrente en POSIX Introducción al estándar POSIX - Tema 6. Sincronización

Master en Computación

Programación Concurrente

Bloque II: Programación concurrente en POSIX

Introducción al estándar POSIX

Tema 1.
Tema 2. Sistema Operativo MaRTE OS
Tema 3. Gestión de Threads
Tema 4. Gestión del Tiempo
Tema 5. Planificación de Threads

Tema 6. Sincronización

Tema 7. Señales
Tema 8. Temporizadores y Relojes de Tiempo de Ejecución

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Tema 6. Sincronización

Tema 6. Sincronización

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6.1. Mecanismos de sincronización POSIX
6.2. Semáforos Contadores
6.3. Mutexes
6.4. Variables Condicionales
6.5.

Implementación de secciones críticas y mutexes en MaRTE
OS

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6.1 Mecanismos de sincronización POSIX

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Tema 6. Sincronización

6.1 Mecanismos de sincronización POSIX
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

intercambio de mensajes

• usar recursos compartidos (datos o dispositivos) de manera

mutuamente exclusiva
- para asegurar su congruencia ante accesos concurrentes
- el acceso al recurso puede ser condicional, de forma que sólo
se pueda acceder a él si se encuentra en el estado apropiado

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Tema 6. Sincronización

6.1 Mecanismos de sincronización POSIX
Mecanismos de sincronización POSIX (cont.)

Mecanismos de sincronización proporcionados por el POSIX:

• Sincronización por intercambio de mensajes:

- señales
- semáforos contadores
- colas de mensajes (no vistas en este curso)

• Exclusión mutua:

- semáforos contadores
- mutexes
- variables condicionales

El POSIX no proporciona monitores ni regiones críticas

• aunque pueden construirse utilizando semáforos o mutexes y

variables condicionales

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6.1 Mecanismos de sincronización POSIX

Variables atómicas compartidas
Un mecanismo primitivo de sincronización consiste en la
utilización de variables atómicas compartidas

• variable atómica: puede ser leída o escrita con una sola

instrucción del procesador
- su tamaño máximo está limitado por la anchura del bus (16/

32/64 bits)

• la congruencia ante accesos concurrentes está asegurada

Una variable compartida entre threads, manejadores de señal o
manejadores de interrupción debe ser marcada como “volátil”

• indica al compilador que no debe optimizar basándose en su
valor puesto que puede cambiar “inesperadamente”
• en C se utiliza la palabra reservada volatile:
volatile int flag;

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6.2 Semáforos Contadores

6.2 Semáforos Contadores
Es un recurso compartible con un valor entero no negativo
Cuando el valor es cero, el semáforo no está disponible
Se utiliza tanto para sincronización de acceso mutuamente
exclusivo, como de señalización y espera (paso de mensajes)

• tanto entre procesos como entre threads

Operaciones que se aplican al semáforo:

• esperar (wait): si el valor es 0, el proceso o thread se añade a

una cola; si el valor es mayor que 0, se decrementa

• señalizar (post): si hay procesos o threads esperando, se

elimina uno de la cola y se le activa; si no, se incrementa el valor

Existen semáforos con nombre, y sin nombre

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Tema 6. Sincronización

6.2 Semáforos Contadores

Inicializar/destruir un semáforo sin nombre
• Inicializar/destruir un semáforo sin nombre:

#include <semaphore.h>
int sem_init (sem_t *sem,
int pshared,
unsigned int value);
• inicializa el semáforo al que apunta sem
• si pshared es 0 el semáforo sólo puede ser usado por threads
del mismo proceso
• si pshared no es 0, el semáforo se puede compartir entre
diferentes procesos
• value es el valor inicial del semáforo

• Destruir un semáforo sin nombre:

int sem_destroy (sem_t *sem);

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Tema 6. Sincronización

6.2 Semáforos Contadores

Abrir/cerrar un semáforo con nombre
• Abrir (e inicializar) un semáforo con nombre:

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,
[,mode_t mode, unsigned int value]);
• devuelve un puntero al semáforo
• name debe tener el formato "/nombre"
• oflag indica las opciones:
- O_CREAT: si el semáforo no existe, se crea; en este caso se
requieren los parámetros mode, que indica permisos, y
value, que es el valor inicial
- O_EXCL: si el semáforo ya existe, error
• Cerrar y borrar un semáforo con nombre:
int sem_close(sem_t *sem);
int sem_unlink(const char *name);

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Esperar en un semáforo

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6.2 Semáforos Contadores

• Espera incondicional

int sem_wait(sem_t *sem);
• si valor>0 entonces valor:=valor-1
• si valor=0 el thread se bloquea y encola en la cola del
semáforo

• Operación no bloqueante

int sem_trywait(sem_t *sem);
• si valor>0 entonces valor:=valor-1
• si valor=0 retorna -1 inmediatamente y errno vale EAGAIN

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Tema 6. Sincronización

6.2 Semáforos Contadores

(cont.)

Esperar en un semáforo
• Espera con tiempo límite
int sem_timedwait(sem_t *sem,
const struct timespec *abs_timeout);
• si valor>0 entonces valor:=valor-1
• si valor=0 el thread se bloquea y encola en la cola del
semáforo
• si se alcanza el tiempo límite la función retorna -1 y errno vale
ETIMEDOUT
• el tiempo límite está basado en el reloj del sistema o en el
CLOCK_REALTIME (en el caso de que el S.O. lo soporte)

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Tema 6. Sincronización

Señalizar un semáforo
• Señalizar un semáforo:

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6.2 Semáforos Contadores

int sem_post(sem_t *sem);
• si hay algún thread esperando en la cola: se activa el de mayor
prioridad
• si no, valor:=valor+1

• Leer el valor de un semáforo:

int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
• retorna en sval el valor que tenía el semáforo en el momento
de la llamada a la función

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6.2 Semáforos Contadores

Uso de semáforos para exclusión mutua

void *t1 (void *a) {

...;
sem_wait(&sem);
usa el recurso
compartido;
sem_post(&sem);
...

}

void *t2 (void *a) {

...;
sem_wait(&sem);
usa el recurso
compartido;
sem_post(&sem);
...

}

// crea el sem con valor inicial 1
sem_init(&sem,0,1)

recurso

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Tema 6. Sincronización

Uso de semáforos para señalización y espera

6.2 Semáforos Contadores

void *t1 (void *a) {

...;
sem_wait(&sem);
...

}

void *t2 (void *a) {

...;
sem_post(&sem);
...

evento

}

// crea el sem con valor inicial 0
sem_init(&sem,0,0)

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6.2 Semáforos Contadores

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Tema 6. Sincronización

Ejemplo: Señalización con semáforos
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <misc/error_checks.h>
sem_t sem;
// Thread que espera el semáforo
void * waiter(void *arg)
{
while (1) {
printf(" -Waiter antes de esperar en el semáforo \n");
CHKE( sem_wait(&sem) );
printf(" -Waiter después de esperar \n");
}
return NULL;
}

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6.2 Semáforos Contadores

Ejemplo: Señalización con semáforos (cont.)

// Thread que señaliza el semáforo
void * signaler(void *arg)
{
printf ("Signaler antes de señalizar 3 veces \n");
CHKE( sem_post(&sem) );
CHKE( sem_post(&sem) );
CHKE( sem_post(&sem) );
sleep(10); // deja ejecutar al thread señalizado
while (1) {
printf ("Signaler antes de señalizar \n");
CHKE( sem_post(&sem) );
sleep(10); // deja ejecutar al thread señalizado
}
return NULL;
}

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Tema 6. Sincronización

6.2 Semáforos Contadores

Ejemplo: Señalización con semáforos (cont.)

int main()
{
pthread_t t1,t2;
int ret;
CHKE( sem_init(&sem, 0, 1) );
// Crea los threads
CHK( pthread_create(&t1, NULL, waiter, NULL) );
CHK( pthread_create(&t2, NULL, signaler, NULL) );
// deja ejecutar un rato y termina
sleep(40);
exit(0);
}

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6.3 Mutexes
Objeto de sincronización parecido a los semáforos

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6.3 Mutexes

• por el que múltiples threads/procesos acceden de forma

mutuamente exclusiva a un recurso

• pero con un nuevo concepto: cada mutex tiene un propietario

Operaciones:

- tomar o bloquear (lock): si el mutex está libre, se toma y el
thread se convierte en propietario; si no se suspende y se
añade a una cola

- liberar (unlock): si hay threads esperando en la cola, el de
mayor prioridad toma el mutex y se convierte en su nuevo
propietario; si no, el mutex queda libre; sólo el propietario del
mutex puede invocar esta operación

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Protocolos de sincronización
Patologías relacionadas con la sincronización:

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6.3 Mutexes

• Interbloqueos
• Falta de vivacidad: Inversión de prioridad no acotada (ver

transparencia siguiente)

Los mutexes permiten los protocolos:
• Herencia de Prioridad
• Protección por Prioridad (o “Techo de Prioridad Inmediato”)
Ambos acotan la inversión de prioridad
• a la duración de una o varias secciones críticas
Protección por Prioridad evita los interbloqueos
• siempre que las tareas no se suspendan dentro de las regiones

críticas

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Tema 6. Sincronización

Inversión de prioridad no acotada
Ocurre cuando no se us