O documento discute mecanismos de sincronização de processos em memória compartilhada e distribuída, incluindo semáforos, monitores, passagem de mensagens assíncrona e síncrona, e chamada de procedimento remoto. Aborda conceitos como exclusão mútua, sincronização condicional e rendezvous para coordenar processos concorrentes.

1. Sincronização Distribuída de Processos Francisco Heron de Carvalho Junior, Dr.

2. Tópicos Abordados Concorrência e Sincronização ; Mecanismos de sincronização de processos; Memória Compartilhada; Semáforos e monitores Memória Distribuída ; Passagem de mensagens assíncrona ; Passagem de mensagens síncrona ; Chamada de procedimento remoto (RPC); Rendezvous; Paradigmas de sincronização distribuída ; Conclusões; Objetivos

3. Concorrência e Sincronização Objetivo : Definir o conceito de sincronização dentro do contexto de concorrência

4. Concorrência e Sicronização (processos) Processos : procedimentos concorrentes Procedimento : sequência de ações ( ordem total ); Linhas de instruções independente; Programa concorrente : ordem parcial de ações; P P 1 P 2 P n paradigma sequencial paradigma concorrente ... ...

5. Concorrência e Sicronização (arquiteturas concorrentes) ... ... uniprocessada multiprocessada (memória compartilhada) distribuída Unidade de memória Unidade de processamento Processo rede

6. Concorrência e Sincronização (Histórias de Execução) Histórias de Execução: Sequência de ações executadas por um programa; Número de histórias possíveis , mesmo para programa s simples , é enorme !!!! Interferência entre processos concorrentes: Um processo invalida uma suposição que diz respeito ao estado de um outro processo em execução, levando-o a um estado inconsistente ;

7. Concorrência e Sincronização (Modelando Interferência usando Lógica de Programação) Estado de um processo: Conteúdo do valor das variáveis em seu escopo; Podemos caracterizar um conjunto de estados por meio de predicados lógicos ( Tony Hoare , 1969); {P} S {Q} P é uma pré-condição ( pre ( S )) ; Q é uma pós-condição ( pos ( S )) ; S é uma ordem parcial de ações ; Lógica de programação: Conjunto de axiomas e regras de inferência para prova de corretude parcial de programas; Extensão à lógica de predicados;

8. Concorrência e Sincronização (Modelando Interferência usando Lógica de Programação) Ação elegível ; Seja C um predicado que que caracteriza o estado de execução de um processo P 1 após a execução da ação s 1 e antes da execução da ação s 2 : P 1 :: ... s 1 {C} s 2 ... C é chamada assertiva crítica ; Seja a uma ação de atribuição em um processo P 2 : P 2 :: ... { P } a { Q } ... Em nenhuma história possível , a execução de a deve tornar C falso quando s 2 é elegível ; { C  P } a { C } Caso contrário, diz-se que P 2 interfere com P 1 ; x := e

9. Concorrência e Sincronização (Interferência) S incronização ; Filtragem de histórias indesejáveis , onde ocorre interferência entre processos ; Como evitar interferência ? Exclusão mútua; Sincronização condicional;

10. Concorrência e Sincronização (Exclusão Mútua) Exclusão mútua: Agrupar sequências de ações em ações de mais grossa granularidade;  a 1 ; a 2 ; ... ; a n  Execução atômica de sequências de ações; Escondendo o estado que sofre interferência ; Seções críticas; P 1 :: ...   a 1 {C} a 2  ...

11. Concorrência e Sincronização (Exclusão Mútua) Sincronização condicional: U m processo atras a sua execução até que uma condição torne-se verdadeira; wp ( S , Q ) : predicado mais fraco para que, depois da execução de a a , Q seja verdadeiro: Weakest pre-condition; ... { wp ( S , Q ) } S {Q} ... Se P  wp ( S , Q ) então P :: ... {P} S {Q} ... Evitando interferência : P 2 :: ...  await  C  wp(a,C)  a  ...

12. Concorrência e Sincronização (await)  await B  S  implementa sincronização por exclusão mútua e sincronização condicional ; Leslie Lamport , 1980; Implementação ineficiente em máquinas convencionais; Técnicas baseadas em espera ocupada ;

13. Modelos de Sincronização de Processos ( Memória compartilhada ) Semáforos: Primitivas de mais baixo nível ( wait e signal ); Simplicidade e eficiência; Entretanto , torna complicada a programação para aplicações complexas; Monitores: Mecanismo de mais alto nível de abstração; Exclusão mútua implícita; Encapsulamento de variáveis; Ortogonalização de processos e monitores ; Apropriado para aplicações complexas que exigem maior estruturação;

14. Modelos de Sincronização de Processos ( Memória distribuída ) Processos não compartilham variáveis; Comunicação através de redes de comunicação ; Primitivas de sincronização devem suportar o transporte de dados entre processos; Mecanismos de sincronização distribuída : Passagem de Mensagens; Assíncrona; Síncrona; Chamada de procedimento remoto; Rendezvous ;

15. Sincronização Distribuída Passagem de Mensagens Assíncrona

16. Passagem de Mensagens Assíncrona Canais Únicos objetos compartilhados entre processos ; Abstração de um meio de transmissão ( rede ) ; Caminho de comunicação entre dois processos; Fila de mensagens; ... send recv

17. Passagem de Mensagens Assíncrona send recv recv send ... emissor receptor emissor receptor Bloqueio do receptor ( sincronização ) t e m p o ... ... ... ... ... ...

18. Passagem de Mensagens Assíncrona Suposições : canais seguros; Sem corrupção de mensagens; Sem replicação de mensagens; Sem perda de mensagens; mensagens ordenadas; Recebimento na ordem de envio; Canais FIFO ( F irst I n, F irst O ut);

19. Passagem de Mensagens Assíncrona chan ch (id 1 :type 1 ,..., id n :type n ) send ch ( expr 1 ,..., expr n ) Os tipos de expr i devem corresponder aos tipos dos componentes do canal; receive ch ( var 1 ,..., var n ) Os tipos de var i devem corresponder aos tipos dos componentes do canal; empty ch Verifica se o canal está vazio

20. Passagem de Mensagens Assíncrona chan input (char), output ([1:MAXLINE] char) Char_to_Line :: var line [1:MAXLINE]: char, i :int := 1 do true  receive input ( line [i]) do line[ i ]  CR and i < MAXLINE  i := i + 1; receive i nput ( line [i]) od send output ( line ); i :=1 od

21. Passagem de Mensagens Assíncrona Caixa de Mensagens ( mail boxes ) Porta de Entrada ( input port ) Ligação ( link ) ... ... ...

22. Passagem de Mensagens Assíncrona Desvantagens: Transmissor precisa saber se receptor recebeu a mensagem: Uso de reconhecimento ; Entrega de mensagens não é garantida; Como saber o que ocorreu caso o reconhecimento não chegue ?? Buffers não podem ser infinitos Muitas mensagens  CRASH! ou bloqueio no send; Violação da semântica do send ;

23. Sincronização Distribuída Passagem de Mensagens Síncrona

24. Passagem de Mensagens Síncrona Não há buffers ; Processo transmissor espera até que o receptor receba a mensagem; Comando de atribuição distribuída; Vantagens: Simplifica a solução de alguns problemas; Evita manipulação dinâmica de buffers ; Desvantagens: Dificulta programação de alguns problemas; CSP e OCCAM;

25. Passagem de Mensagens Síncrona Processo A deseja comunicar um valor a um processo B através da porta p : A :: … B ! p ( e 1 , e 2 ,…,e n ) … {envio } B :: … A ? p ( x 1 , x 2 ,…,x n ) … {recebimento} B permanece bloqueado até que A receba os valores e 1 , e 2 ,…, e n e os atribua às suas variáveis x 1 , x 2 ,…, x n ; x i := e i , 1  i  n Os tipos de e i e x i devem ser compatíveis; Portas identificam tipos de mensagens ;

26. Passagem de Mensagens Síncrona send recv recv send emissor receptor emissor receptor Bloqueio do receptor ( sincronização ) t e m p o Bloqueio do emissor ( sincronização )

27. Passagem de Mensagens Síncrona Comunica ção guardada ; Comando de comunicação guardado B; C  S B é uma expressão booleana (opcional); C é um comando de comunicação (opcional); S é uma lista de comandos; B e C compõem um a guarda ; A guarda sucede-se se B é verdadeiro e C não causa bloqueio ;

28. Passagem de Mensagens Síncrona Comunica ção guardada (u so com if ) Uma das guardas ativas é escolhida não-deterministicamente ; if B 1 ; C 1  S 1 [] B 2 ; C 2  S 2  [] B n ; C n  S n fi ... ... ...

29. Passagem de Mensagens Síncrona Comunica ção guardada (u so com do ) Repetidamente, uma das guardas ativas é escolhida não-deterministicamente, at é quando nenhuma estiver ativa; do B 1 ; C 1  S 1 [] B 2 ; C 2  S 2  [] B n ; C n  S n od ... ... ...

30. Passagem de Mensagens Síncrona Copy :: var buffer[1:10]:char var front:=1, rear:=1, count:=0 do count < 10; West?buffer[rear]  count++; rear := (rear mod 10) + 1 [] count > 0; East ! buffer[front]  count--; front := (front mod 10) + 1 od GCD :: var x,y: int do (i:1..n) Client ? args(x,y)  do x  y  x:=x-y [] x  y  y:=y-x od Client[i] ! result(x) od

31. Sincronização Distribuída Chamada de Procedimento Remoto

32. Chamada de Procedimento Remoto Módulos Ocupam espaços de endereçamento distintos ; Analogia com monitores ; Declaram processos exportados e em background ; Um processo ( servidor ) é dinamicamente criado para executar chamada a procedimento remoto ; O processo que chama o procedimento prossegue após o retorno deste; Semântica semelhante à chamada sequencial de procedimentos;

33. Chamada de Procedimento Remoto processo chamador processo servidor call Módulo

34. Chamada de Procedimento Remoto Módulo: module module_name cabeçalhos de operações exportadas; body declarações de variáveis; código de inicialização; procedimentos para operações exportadas; procedimentos e processos locais (background); end module_name Cabeçalho de operação exportada: op op_name (formals) [returns result ] ; Operação: proc op_name (formals identifiers) returns rident ; declarações de variáveis locais lista de comandos end Chamada de procedimento remoto: call mname . opname ( arguments );

35. Chamada de Procedimento Remoto Sincronização condicional e exclusão mútua entre processos servidores e em background : Exclusão mútua explícita Uso de semáforos e monitores ; Exclusão mútua implícita : Sincronização condicional por variáveis condicionais ;

36. Chamada de Procedimento Remoto ... REDE DE COMUNICAÇÃO módulo módulo módulo módulo módulo módulo call call

37. Chamada de Procedimento Remoto module TimeServer op get_time() returns int; op delay(int interval); body int tod = 0 sem m = 1; sem d[n] = ([n] 0); queue of (int waketime, int process_id) napQ; proc get_time () returns time { time = tod; } proc delay (interval) int waketime = tod + interval; P(m) ; insert (waketime, myid) em napQ: V(m) ; P(d[myid]) ; } (...)

38. Chamada de Procedimento Remoto (...) process Clock { inicie cronômetro do sistema; while ( true ) { tod ++; P(m) ; while (tod >= menor waketime em napQ) { remove (waketime, id) from napQ; V(d[id]) ; } V(m) ; } } end TimeServer

39. Sincronização Distribuída Rendezvous

40. Rendezvous Combinando comunicação e sincronização ; Como em RPC, processo cliente invoca operação por meio da instrução call ; Diferente de RPC, um único processo servidor é usado para servir as chamadas aos procedimentos: Comando de entrada ( in ); Operações são servidas uma de cada vez; Sincronização implícita; Linguagem ADA;

41. Rendezvous processo chamador processo servidor (corpo de in ) call Módulo in

42. Rendezvous A operação in : in op 1 ( formals 1 ) and B 1 by e 1  S 1 ; [] op 2 ( formals 2 ) and B 2 by e 2  S 2 ;  [] op n ( formals n ) and B n by e n  S n ; ni A operação in : op i : identificador da operação; B i : expressão de sincronização; e i : expressão de escalonamento; S i : lista de comandos; ... ... ... ...

43. Rendezvous module BoundedBuffer op deposit( typeT ), fetch( result typeT ); body process Buffer { typeT buf[n]; int front = 0, rear = 0, count = 0; while (true) in deposit (item) and count < n  buf[rear] = item; rear = (rear + 1) mod n; count++; [] fetch (item) and count > 0  item = buf[front]; front = (front + 1) mod n; count--; ni }

44. Paradigmas de Sincronização Distribuída Padrões de Interação entre Processos

45. Paradigmas de Sincronização Distribuída Tipos de Processos: Filtros; Clientes; Servidores; Peers ; Padrões de interação entre-processos: Produtor / Consumidor (1) ; Interacting peers (2) ; Cliente / Servidor (3) ; Passagem de mensagens: (1) e (2) ; RPC e rendezvous : (3) .

46. Paradigmas de Sincronização Distribuída Gerente / Trabalhadores; Multiplicação de matrizes esparsas; Quadratura adaptativa; Algoritmos sistólicos; Rotulações de regiões (processamento de imagens); Autômatos celulares; Algoritmos pipe-line ; Multiplicação de matrizes; Probe / echo ; Disseminação em rede; Computação da topologia de uma rede; Disseminação; Relógios lógicos e ordenação de eventos; Semáforos Distribuídos Passagem do token ; Exclusão mútua distribuída ; Detecção de terminação (em anel e em grafo); Servidores replicados; Solução descentralizada ao jantar dos filósofos;

47. Conclusões Computação distribuída tem se tornado onipresente; Internet , interconectividade, etc ; Diversos mecanismos surgiram nas últimas décadas para sincronização distribuída; Nichos de aplicações complementares; Padrões de interação conhecidos devem ser observados na construção de aplicações distribuídas; Esqueletos; Templates ;

48. Sincronização Distribuída de Processos Francisco Heron de Carvalho Junior, Dr.