O documento apresenta conceitos fundamentais da sincronização em sistemas operacionais, abordando o problema da seção crítica e as soluções para garantir a consistência no acesso a dados compartilhados. Discorre sobre estratégias como a solução de Peterson, hardware de sincronização, semáforos e monitores, além de discutir problemas clássicos de sincronização, como o buffer limitado e o jantar dos filósofos. O foco é na exclusão mútua, progresso e espera limitada nas operações de controle de concorrência entre processos.

1. Sistemas Operacionais I
Gerências de Processos: Sincronização
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.com
Centro de Informática | Universidade Federal da Paraíba
Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating
Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne

2. Objetivos
 Introduzir o problema da seç ão críticas, cujas
soluç ões podem ser utilizadas para garantir
consistência no acesso a dados compartilhados
 Apresentar soluç ões em software e hardware para
o problema da seç ão crítica
 Introduzir o conceito de transaç ão atô mica e
descrever os mecanismos utilizados para garantir
atomicidade

3. Antecendentes
 Acesso concorrente a dados compartilhados
pode resultar em inconsistência nos dados
 Para manter a consistência dos dados
precisamos de mecanismos para garantir
ordem na execuç ão de processos
cooperativos

4. Revisitando o problema do Produtor/
Consumidor
 Suponha que desejamos alterar a soluç ão apresentada
anteriormente para o problema do Produtor/Consumidor
que preencha todas as posiç ões do buffer
 Uma ideia seria utilizar uma variável inteira count para
contar o número de posiç ões ocupadas no buffer.
 Inicialmente count recebe 0 e é incrementado sempre
que o produtor inserir algo no buffer e decrementado
sempre que o consumidor remover algo do buffer.

5. Produtor

6. Consumidor

7. Condição de corrida
count++ poderia ser implementado assim:
count-- poderia ser implementado assim:

8. Condição de corrida

9. O problema da seção crítica
 Considere um sistema composto por n processo [P0, P1, ... ,
Pn]
 Cada um desses processos tem um segmento de código
denominado seção crítica em que o processo pode alterar
variáveis compartilhadas
 Para evitar inconsistências nos dados compartilhados é
preciso garantir que dois desses processos jamais
executarão ao mesmo tempo código de suas seções
críticas
 O problema da seção crítica consiste em elaborar um
protocolo que possibilite a cooperação entre os processos
e que garanta a consistência dos dados compartilhados

10. Estrutura geral de um processo

11. Requisitos de uma solução para o
problema da seção crítica
 Exclusão mútua: se o processo Pi estáexecutando có digo de sua
seç ão crítica então nenhum outro processo pode estar executando
có digo de suas seç ões críticas
 Progresso: Se nenhum processo estiver executando sua seç ão
crítica e alguns processos quiserem entrar em suas seç ões críticas,
só os processos que não estiverem executando suas seç ões
remanescentes poderão participar da decisão sobre qual processo
seráo pró ximo a entrar em sua seç ão crítica e essa seleç ão não
poderáser adiada indefinidamente
 Espera limitada: Háum limite para o número de vezes que outros
processos podem entrar em suas seç ões críticas apó s um
processo ter feito uma solicitaç ão para entrar na sua seç ão crítica e
ter essa solicitaç ão atendida
 Pode-se presumir que cada processo execute em uma velocidade
diferente de zero mas não se pode fazer qualquer suposiç ão sobre as
velocidades relativas dos n processos

12. Solução de Peterson
 Utilizada apenas para pares de processos
 Assume que as instruções LOAD e STORE são atô micas.
 Os processos compartilham duas variáveis:
 int turn;
 boolean flag[2]
 A variável turn indica de quem é a vez de entrar na seção
crítica.
 O array flag é utilizado para indicar se um processo está
pronto ou não para entrar em sua seção crítica
 flag[i] = true implica que o processo Pi estápronto!

13. Algoritmo para o processo Pi

14. Hardware de sincronização
 Muitos sistemas oferecerem suporte em hardware para
controle de acesso a seções críticas
 Processador único: poderia desabilitar interrupções
 O có digo atualmente em execuç ão não seria interrompido
 Geralmente essa abordagem é muito ineficiente em sistemas
com múltiplos núcleos/processadores
 Um sistema operacional que funciona dessa forma não é escalável
 Máquinas modernas oferecem instruções especiais de
hardware com execução atô mica
 Atô mica = não interrompível
 Testar e modificar o conteúdo de uma palavra de memó ria
 Trocar os conteúdos de duas palavras de memó ria

15. Solução para o problema da seção crítica
utilizando locks

16. A instrução TestAndSet

17. Solução utilizando TestAndSet

18. Instrução SWAP

19. Solução utilizando SWAP

20. Exclusão mútua com espera limitada utilizando a operação
TestAndSet()

21. Semáforos
 Ferramenta de sincronizaç ão baseada em duas
operaç ões simples
 Semaphore S – variável inteira
 Duas operaç ões para modificar o semáforo S: wait() e signal()
 Originalmente P() e V()
 Só podem ser acessados através de duas operaç ões
indivisíveis (atô micas)

22. Semáforos como uma ferramenta geral de
sincronização
 Semáforo de contagem: um valor inteiro que pode variar em um domínio irrestrito
 Semáforo binário: valor inteiro que só pode variar entre 0 e 1
 Também conhecido como bloqueio mutex
 Garante exclusão mútua

23. Implementação de Semáforos
 É preciso garantir que dois processos não possam
executar wait () e signal () em um mesmo semáforo ao
mesmo tempo
 Portanto, o có digo das operações wait e signal se torna
parte da seção crítica
 Poderíamos então ter agora espera ocupada na
implementaç ão da seç ão crítica
 Note que algumas aplicaç ões podem gastar bastante
tempo em suas seç ões críticas portanto estánão é
uma boa soluç ão

24. Implementação de Semáforos sem espera
ocupada
 Associar uma fila de espera a cada semáforo
 Cada entrada na fila tem dois itens:
 valor (inteiro)
 ponteiro para o pró ximo registro na fila
 Duas operaç ões:
 block: coloca o processo invocando a operaç ão na
fila de espera apropriada.
 wakeup: remove um dos processos da fila de espera
e o coloca na fila de prontos

25. Implementação de Semáforos sem espera
ocupada

26. Deadlock e Starvation
 Deadlock: dois ou mais processo esperam indefinidamente
por um evento que só pode ser causado por um dos
processos em espera
 Sejam S e Q dois semáforos inicializados com 1
 Starvation: bloqueio indefinido – um processo pode nunca ser
removido da fila de espera de um semáforo na qual ele está
bloqueado
 Inversão de prioridade: Problema de escalonamento que
ocorre quando um processo de baixa prioridade bloqueia um
processo de prioridade mais alta

27. Problemas clássicos de sincronização
 Problema do Buffer Limitado
 Problema dos Leitores e Escritos
 Problema do Jantar dos Filó sofos

28. Problema do buffer limitado
 N buffers, cada um pode armazenar um item
 Semáforo mutex inicializado com 1
 Semáforo full inicializado com 0
 Semáforo empty inicializado com N

29. Problema do buffer limitado:
Produtor

30. Problema do buffer limitado:
Consumidor

31. Problema dos leitores e escritores
 Um conjunto de dados é compartilhado entre um número de
processos concorrentes
 Leitores – apenas leem os dados, não fazem qualquer atualizaç ão
 Escritores – podem tanto ler quanto atualizar os dados
 Problema
 Permitir que múltiplos leitores possam acessar os dados ao mesmo
tempo.
 Permitir que apenas um escrito tenha acesso aos dados compartilhados
em um determinado momento
 Dados compartilhados
 Conjunto de dados
 Semáforo mutex inicializado com 1
 Semáforo wrt inicializado com 1
 Contador inteiro readcount inicializado com 0

32. Problema dos leitores e escritores:
Escritor

33. Problema dos leitores e escritores:
Leitor

34. O problema do jantar dos filósofos

35. O problema do jantar dos filósofos

36. Problemas com semáforos
 Uso correto das operaç ões com semáforos
 signal (mutex) …. wait (mutex)
 wait (mutex) … wait (mutex)
 Esquecer um wait (mutex) ou um signal (mutex)
(ou ambos)

37. Monitores
 Uma abstraç ão de alto
nível que fornece um
mecanismo mais
conveniente para
sincronizaç ão de
processos
 Apenas um processo
pode estar ativo em um
monitor a cada momento

38. Visão esquemática de um monitor

39. Variáveis condicionais
 condition x, y;
 Duas operaç ões em uma variável condicional
 x.wait () – um processo que invoca a operaç ão é
suspenso.
 x.signal () – reinicia um processo que tenha
invocado um x.wait ()

40. Monitor com variáveis condicionais

41. Solução para o problema do jantar dos filósofos

42. Solução para o problema do jantar dos
filósofos
 Cada filó sofo invoca as operaç ões pickup()
e putdown() na seguinte ordem: