PDF de programación - Desarrollo de servidores concurrentes

SISTEMAS OPERATIVOS:
COMUNICACIÓN Y
SINCRONIZACIÓN ENTRE
PROCESOS

Desarrollo de servidores concurrentes

Contenido

2

¨ Servidores de peticiones.

¨ Solución basada en procesos.

¨ Solución basada en hilos bajo demanda.

¨ Solución basada en pool de hilos.

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Contenido

3

¨ Servidores de peticiones.

¨ Solución basada en procesos.

¨ Solución basada en hilos bajo demanda.

¨ Solución basada en pool de hilos.

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Servidor de peticiones

4

¨ En muchos contextos se desarrollan servidores de

peticiones:
¤ Servidor Web.
¤ Servidor de Base de datos.
¤ Servidor de aplicaciones.
¤ Programa de intercambio de ficheros.
¤ Aplicaciones de mensajería.
¤ …

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Servidor

5

SERVIDOR

CLIENTE

CLIENTE

CLIENTE

CLIENTE

CLIENTE

CLIENTE

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Problema:
Servidor de peticiones

6

¨ Un servidor recibe peticiones que debe procesar.

¨ Estructura de un servidor genérico:

¤ Recepción de petición:

n Cada petición requiere un cierto tiempo en operaciones de

entrada/salida para ser recibida.

¤ Procesamiento de la petición:

n Un cierto tiempo de procesamiento en CPU.

¤ Envío de respuesta:

n Un cierto tiempo de entrada/salida para contestar.

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Una biblioteca para pruebas

7

¨ Para poder evaluar las soluciones hoy vamos a usar

una biblioteca sencilla como base.

¨ Ideas:

¤ Simular la recepción de peticiones.
¤ Simular el procesamiento de peticiones.
¤ Simular el envío de respuestas.

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Biblioteca base

8

#ifndef PETICION_H
#define PETICION_H

struct peticion {

long id;
/* Resto de campos necesarios */
int tipo;
char url[80];
/* ... */

};

typedef struct peticion peticion_t;

void recibir_peticion (peticion_t * p);
void responder_peticion (peticion_t * p);

#endif

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Recepción de peticiones

9

static long petid = 0;
void recibir_peticion (peticion_t * p)
{

int delay;
fprintf(stderr, "Recibiendo petición\n");
p->id = petid++;

/* Simulación de tiempo de E/S */
delay = rand() % 5;
sleep(delay);

fprintf(stderr,"Petición %d recibida después de %d segundos\n",

p->id, delay);

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

}

Recepción de peticiones

10

static long petid = 0;
void recibir_peticion (peticion_t * p)
{

int delay;
fprintf(stderr, "Recibiendo petición\n");
p->id = petid++;

/* Simulación de tiempo de E/S */
delay = rand() % 5;
sleep(delay);

Aquí iría alguna llamada
bloqueante para recibir la
petición (por ejemplo de

la red)

fprintf(stderr,"Petición %d recibida después de %d segundos\n",

p->id, delay);

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

}

Envío de peticiones

11

void responder_peticion (peticion_t * p)
{

int delay, i;
double x;
fprintf(stderr, "Enviando petición %d\n", p->id);
/* Simulación de tiempo de procesamiento */
for (i=0;i<1000000;i++) { x = 2.0 * i; }
/* Simulación de tiempo de E/S */
delay = rand() % 20;
sleep(delay);
fprintf(stderr, "Petición %d enviada después de %d segundos\n",

p->id, delay);

}

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Envío de peticiones

12

void responder_peticion (peticion_t * p)
{

int delay, i;
double x;
fprintf(stderr, "Enviando petición %d\n", p->id);
/* Simulación de tiempo de procesamiento */
for (i=0;i<1000000;i++) { x = 2.0 * i; }
/* Simulación de tiempo de E/S */
delay = rand() % 20;
sleep(delay);
fprintf(stderr, "Petición %d enviada después de %d segundos\n",

Aquí iría alguna llamada
bloqueante para responder

a la petición

Aquí iría el

procesamiento
de la petición

p->id, delay);

}

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Una primera solución

13

¨ Ejecutar de modo

indefinido la
secuencia:
¤ Recibir una petición.
¤ Procesar la petición.

#include "peticion.h“

int main()
 
 {

peticion_t p;

for (;;)
 {

recibir_peticion(&p);
responder_peticion(&p);

}

return 0;

}

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Problemas

14

¨ Llegada de peticiones.

¤ Si dos peticiones llegan al mismo tiempo …
¤ Si una petición llega mientras otra se está procesando

…

¨ Utilización de los recursos.

¤ ¿Cómo será la utilización de la CPU?

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Solución inicial con medición

15

#include "peticion.h"
#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main()
{

int i;
const int MAX_PETICIONES
 =
 5;
 
 
time_t t1,t2;
double dif;
peticion_t p;

t1
 =
 time(NULL);
for (i=0;i<MAX_PETICIONES;i++)
 {

recibir_peticion(&p);
responder_peticion(&p);

}
t2
 =
 time(NULL);

dif =
 difftime(t2,t1);
printf("Tiempo:
 %lf\n",dif);

return 0;

}

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Ejecución

16

$ time ./ej1
Recibiendo petición
Petición 0 recibida después de 0 segundos
Enviando petición 0
Petición 0 enviada después de 13 segundos
Recibiendo petición
Petición 1 recibida después de 3 segundos
Enviando petición 1
Petición 1 enviada después de 2 segundos
Recibiendo petición
Petición 2 recibida después de 4 segundos
Enviando petición 2
Petición 2 enviada después de 0 segundos
Recibiendo petición

Petición 3 recibida después de 3 segundos
Enviando petición 3
Petición 3 enviada después de 12 segundos
Recibiendo petición
Petición 4 recibida después de 1 segundos
Enviando petición 4
Petición 4 enviada después de 16 segundos
Tiempo: 54.000000

real 0m54.164s
0m0.061s
user
sys
0m0.046s

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Comparación

17

Normal
54 seg.

Procesos

Hilo x petición

Pool de hilos

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Contenido

18

¨ Servidores de peticiones.

¨ Solución basada en procesos.

¨ Solución basada en hilos bajo demanda.

¨ Solución basada en pool de hilos.

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Primera idea

19

¨ Cada vez que llega una petición

se crea un proceso hijo:
¤ El proceso hijo realiza el procesamiento de la petición.
¤ El proceso padre pasa a esperar la siguiente petición.

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Servidor basado en procesos

20

SERVIDOR

P1

P2

HIJO 1

HIJO 2

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Implementación (1/3)

21

#include "peticion.h"
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
 {
const int MAX_PETICIONES
 =
 5;
int i;
time_t t1,t2;
peticion_t p;
int pid,
 hijos=0;

t1
 =
 time(NULL);

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Implementación (2/3)

22

for (i=0;i<MAX_PETICIONES;i++)
 
 {

recibir_peticion(&p);

do
 {

fprintf(stderr,
 "Comprobando
 hijos\n");
pid =
 waitpid(-­‐1,
 NULL,
 WNOHANG);
if (pid>0)
 {
 hijos-­‐-­‐;
 }

}
 while (pid >
 0);

pid =
 fork();
if (pid<0)
 
 
 
 
 {
 perror(“Error
 en
 la
 creación
 del
 hijo");
 }
if (pid==0)
 
  {
 responder_peticion(&p);
 exit(0);
 }
 
 
 /*
 HIJO
 */
if (pid!=0)
 
 
 {
 hijos++;
 }
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 /*
 PADRE
 */

}

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Implementación (3/3)

23

fprintf(stderr,
 "Comprobando
 %d
 hijos\n",
 hijos);
while (hijos>0)
 {

pid =
 waitpid(-­‐1,
 NULL,
 WNOHANG);
if (pid>0)
 {
 hijos-­‐-­‐;
 
 }

}
 ;

t2
 =
 time(NULL);

double dif =
 difftime(t2,t1);
printf("Tiempo:
 %lf\n",dif);

return 0;

}

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Ejecución

24

$ time ./ej2
Recibiendo petición
Petición 0 recibida después de 0 segundos
Comprobando hijos
Recibiendo petición
Enviando petición 0
Petición 1 recibida después de 3 segundos
Comprobando hijos
Recibiendo petición
Enviando petición 1
Petición 2 recibida después de 3 segundos
Comprobando hijos
Petición 1 enviada después de 3 segundos
Recibiendo petición
Enviando petición 2
Petición 3 recibida después de 2 segundos
Comprobando hijos

Comprobando hijos
Recibiendo petición
Enviando petición 3
Petición 2 enviada después de 2 segundos
Petición 4 recibida después de 4 segundos
Comprobando hijos
Comprobando hijos
Comprobando 3Enviando petición hijos4

Petición 4 enviada después de 0 segundos
Petición 0 enviada después de 13 segundos
Petición 3 enviada después de 9 segundos
Tiempo: 17.000000

real 0m17.311s
user
0m0.872s
0m3.092s
sys

Sistemas Operativos - Servidores concurrentes

Comparación

25

Normal
54 seg.

Procesos
17 seg.

Hilo x petición

Pool de hilos

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Problemas

26

¨ Hace falta arrancar un proceso (fork)

por cada petición que llega.

¨ Hace falta terminar un proceso (exit)

por cada petición que termina.

¨ Excesivo consumo de recursos del sistema.

¨ No hay control de admisión.

¤ Problemas de calidad de servicio.

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Soluciones con hilos

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¨ Hilos bajo demanda.

¤ Cada vez que se recibe una petición

se crea un hilo.

¨ Pool de hilos.

¤ Se tiene un número fijo de hilos creados.
¤ Cada vez que se recibe una petición se busca un hilo

libre ya creado para que atienda la petición.
n Comunicación mediante una cola de peticiones.

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Contenido

28

¨ Servidores de peticiones.

¨ Solución basada en procesos.

¨ Solución basada en hilos bajo demanda.

¨ Solución basada en pool de hilos.

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Hilos bajo demanda

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¨ Se tiene un hilo receptor encargado de recibir las

peticiones.

¨ Cada vez que llega una petición se crea un hilo y

se le pasa una copia la petición al hilo recién
creado.
¤ Tiene que ser una copia de la petición porque la

petición original se podría modificar.

Sistemas Op