Administración de procesos
2.1 Concurrencia y secuenciabilidad
Puede verse la concurrencia de procesos como la ejecución simultánea de varios procesos. Si tenemos unmultiprocesador o un sistema distribuido(tema 1) la concurrencia parece clara, en un momento dado cada procesador ejecuta un proceso. Se puede ampliar el concepto de concurrencia si entendemos por procesado concurrente (o procesado paralelo) la circunstancia en la que de tomar una instantánea del sistema en conjunto, varios procesos se vean en un estado intermedio entre su estado inicial y final.
Los distintos procesos dentro de un ordenador no actúan de forma aislada. Por un lado, algunos procesos cooperan para lograr un objetivo común. Por otro lado, los procesos compiten por el uso de unos recursos limitados, como el procesador, la memoria o los ficheros. Estas dos actividades de cooperación y competición llevan asociada la necesidad de algún tipo de comunicación entre los procesos.
Para aclarar un poco todo esto, supongamos que en un entorno UNIX se ejecuta la orden
- cat tema1 tema2 tema3 | wc -l
Esta orden va a provocar que el intérprete de órdenes cree dos procesos concurrentes, el primero ejecutará el programa cat, que concatenará el contenido de los ficheros de texto tema1, tema2 y tema3. El segundo ejecutará el programa wc, que contará el número de líneas de la salida producida por cat. Estos dos procesos cooperan, y será preciso algún tipo de sincronización entre ellos, concretamente hasta que cat no produzca alguna salida wc debería bloquearse.
Competencia entre los procesos
- La naturaleza física del recurso hace que sea imposible compartirlo. Un ejemplo lo constituye una impresora, si una impresora fuera utilizada por varios procesos simultáneamente sus salidas se entremezclarían en el papel.
- El recurso es tal que si es usado por varios procesos de forma concurrente la acción de uno de ellos puede interferir con la de otro. Un ejemplo común lo constituye un fichero que contiene unos datos accesibles desde más de un proceso, y modificables al menos por uno de ellos.
Dentro de la categoría de recursos no compartibles se incluirán la mayoría de los periféricos (los discos no), los ficheros de escritura y las zonas de memoria sujetas a modificación. Los recursos compartibles incluirán la CPU (en los temas previos vimos cómo compartir la CPU entre los procesos introduciendo el concepto de PCB), los ficheros de lectura, y las zonas de memoria que contengan rutinas puras o bien datos que no están sujetos a modificación.
Ejemplos
El hecho de reservar un asiento en una avión mediante un sistema basado en aplicaciones web, cuando decenas de personas en el mundo pueden reservarlo también, nos da una idea de lo importante y crucial que es el control de concurrencia en un sistema de base de datos a mediana o gran escala.
Otro ejemplo en el que podemos observar la incidencia del control de concurrencia en el siguiente: en una Base de Datos bancaria podría ocurrir que se paguen dos cheques en forma simultánea sobre una cuenta que no tiene saldo suficiente para cubrirlos en su totalidad, esto es posible evitarlo si se tiene un control de concurrencia.
Sincronizacion
Cinco filósofos se sientan alrededor de una mesa y pasan su vida cenando y pensando. Cada filósofo tiene un plato de fideos y un tenedor a la izquierda de su plato. Para comer los fideos son necesarios dos tenedores y cada filósofo sólo puede tomar los que están a su izquierda y derecha. Si cualquier filósofo coge un tenedor y el otro está ocupado, se quedará esperando, con el tenedor en la mano, hasta que pueda coger el otro tenedor, para luego empezar a comer.
Si dos filósofos adyacentes intentan tomar el mismo tenedor a una vez, se produce una condición de carrera: ambos compiten por tomar el mismo tenedor, y uno de ellos se queda sin comer.
Si todos los filósofos cogen el tenedor que está a su derecha al mismo tiempo, entonces todos se quedarán esperando eternamente, porque alguien debe liberar el tenedor que les falta. Nadie lo hará porque todos se encuentran en la misma situación (esperando que alguno deje sus tenedores). Entonces los filósofos se morirán de hambre. Este bloqueo mutuo se denomina interbloqueo o deadlock.
El problema consiste en encontrar un algoritmo que permita que los filósofos nunca se mueran de hambre.
Requisitos para la Exclusión Mutua
Los recursos no compartibles, ya sean periféricos, ficheros, o datos en memoria, pueden protegerse del acceso simultáneo por parte de varios procesos evitando que éstos ejecuten de forma concurrente sus fragmentos de código a través de los cuales llevan a cabo este acceso. Estos trozos de código reciben el nombre de secciones o regiones críticas, pudiéndose asimilar el concepto de exclusión mutua en el uso de estos recursos a la idea de exclusión mutua en la ejecución de las secciones críticas. Así, por ejemplo, puede implementarse la exclusión mutua de varios procesos en el acceso a una tabla de datos mediante el recurso de que todas las rutinas que lean o actualicen la tabla se escriban como secciones críticas, de forma que sólo pueda ejecutarse una de ellas a la vez.
Idear soluciones que garanticen la exclusión mutua es uno de los problemas fundamentales de la programación concurrente. Muchas son las alternativas y tipos de mecanismos que se pueden adoptar. A lo largo de este tema veremos diferentes soluciones software y alguna hardware ; unas serán sencillas y otras complejas, algunas requieren la cooperación voluntaria de los procesos y otras que exigen un estricto ajuste a rígidos protocolos. La selección de las operaciones primitivas adecuadas para garantizar la exclusión mutua de las secciones críticas es una decisión primordial en el diseño de un sistema operativo. Al menos, una solución apropiada debería cumplir las cuatro condiciones siguientes:
- Sólo un proceso, de todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un momento dado.
- Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin interferir con los otros procesos.
- Un proceso no debe poder solicitar acceso a una sección crítica para después ser demorado indefinidamente, no puede permitirse el interbloqueo o la inanición.
- Si ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin demora.
- No se debe suponer sobre la velocidad relativa de los procesos o el número de procesadores.
- Un proceso permanece en su sección crítica por un tiempo finito.
BENEFICIOS DE LA CONCURRENCIA
- Trata de evitar los tiempos muertos de la UCP
- Comparte y optimiza el uso de recursos
- Permite la modularidad en las diferentes etapas del proceso
- Acelera los cálculos
- Da mayor comodidad
DESVENTAJAS DE LA CONCURRENCIA
- Inanición e interrupción de procesos
- Ocurrencia de bloqueos
- Que dos o más procesos requieran el mismo recurso (no apropiativo).
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