SistemasOperacionais

IIProfessor Cláudio Geyer

Instituto de Informática - UFRGS

Autoria

Alunos de turma de SOII C. Geyer Versão

– V13, 2010-2

Súmula

Tópicos da disciplina SO x Programação concorrente Programação concorrente

– Conceito– Tarefa– Tipos de PC– Memória distribuída x compartilhada

Variações– Programação Distribuída– Programação Paralela

Pré-requisitos para compreensão do conteúdo :

Noções de Sistemas Operacionais :Processos, escalonamento de processos, espera ativa.

Conhecimento de estruturas básicas de programação :comandos : if , while, for, procedures, functions , etc ;

tipos de variáveis : registro, ponteiro, etc ;

manipulação de arquivos.

Índice explicativo de cada tópico

Conceitos básicos de programação concorrente:– SO x PC; PC; Programação Distribuída; Programação

Paralela, Exemplos de PC;

– Vantagens, aplicações, abordagens operacional X axiomática.

Expressão da concorrência:– Grafos de processos; fork/join; parbegin/end; vetor de

processos.

Sincronização:– Atomicidade

• definição por software e hardware; exemplo de não-atomicidade; notação do Andrews);

Índice explicativo de cada tópico

Sincronização:– Exclusão mútua

• conceitos, requisitos, mutexbegin/end, implementações falsa, com alternância;

• implementação para 2 processos e por hardware.

– Semáforos • conceitos, usos, implementação com filas e block/wakeup;

• problema do produtor/consumidor;

• problema dos leitores/escritores.

– Monitores• conceitos e implementação;

• exemplo dos filósofos.

Índice explicativo de cada tópico

Troca de Mensagens:– Introdução a sistemas distribuídos, mapeamento,

conceitos básicos;

– Assíncrona• Conceitos e propriedades;

• Exemplo produtor/consumidor;

• Difusão com probe.

– Síncrona• Conceitos e propriedades.

– RPC• Conceitos e propriedades;

• Exemplo do servidor de tempo.

Índice explicativo de cada tópico

Sistemas Operacionais Distribuídos– Conceitos e tipos;

– Questões de projeto;

– Modelo cliente/servidor; RPC

– Sistema de arquivos distribuídos:• conceitos e questões de projeto.

– Threads

– Comunicação coletiva

– WS

– Transações, replicação e p2p

Índice explicativo de cada tópico

Deadlock– Conceitos, tipos de tratamento, prevenção;

Ambiente e Linguagens Concorrentes

Unix e/ou Windows– C ou C++

• biblioteca de processos;

• biblioteca de sockets;

• biblioteca de threads;

• RPC;

• biblioteca de variáveis compartilhadas.

– Java, C#, Objetive C

– Python

– MPI, OpenMPI

– JSR (SR em Java)

Sistema Operacional x PC

Gerenciar recursos de forma eficiente.– Exemplo: através de I/O concorrente (duas ou mais

aplicações concorrentes); escalonamento (time-sharing).

Dentro de uma única máquina pode existir programação concorrente.

Programa seqüencial é um código que especifica a execução seqüencial, uma lista de comandos.

Programa concorrente pode ser visto como um programa composto de vários (> 1) programas seqüenciais, executados concorrentemente.

Programação Concorrente

Conceito– Programas com diversas partes em execução

concorrente, em uma ou mais CPUs)– Pode haver programação concorrente em Redes,

Máquinas Paralelas, multicores, GPUs ou em uma única máquina simples.

Analogia com sistemas reais– Podemos citar como exemplos de atividades

concorrentes, onde mais de um evento está ocorrendo ao mesmo tempo:

• Aeroporto; Trânsito;• Porto;• Linha de montagem de uma fábrica.

Programação Concorrente

Tarefa (task)– nome normalmente associado a uma parte concorrente

– independe do modelo de programação

• paradigma

• linguagem

• construção ou abstração usada para representá-la

Programação Concorrente

Vantagens– Expressão mais fácil de certos problemas

(concorrentes);• exemplos: simulação de sistemas naturais; jogos;

– Uso eficiente dos recursos de hardware;• I/O concorrente a CPU

– Aumento do desempenho de alguns programas (paralelos);

– (tentar) Usar todas as CPUs todo o tempo com trabalho útil.

• Tarefa normalmente muito complexa

Programação Concorrente

Problemas– Sincronização:

• dependência temporal– uma tarefa necessita da conclusão da anterior

não podem ser executadas concorrentemente.• acesso concorrente a um recurso compartilhado

– pode gerar estados (do recurso) inconsistentes– recursos: variáveis, arquivos, ...

– Escalonamento• garantir um bom (eficiente, …) uso dos recursos

– disputa de recursos do sistema, tais como cpu, memória, disco, impressora

• eventualmente a cargo do programador (não do SO)

Programação Concorrente

Exemplo de Programa– Tendo a equação: (2*A)+((C-D)/3), algumas partes

podem ser executadas em paralelo, como segue:

Início

3

C-D

2*A+

/Fim

Programação Concorrente

Aplicações típicas:– Núcleo do Sistema Operacional;

– Núcleo do SGBD (vários clientes acessam o BD);

– Servidores em geral: multithreaded;

– Interfaces gráficas;

– Jogos;

– Simulação;

– Aplicações cpu intensivas;

– Futuro com multicores e GPUs:

• (quase) todas as aplicações?

Programação Concorrente

Aplicações típicas:– Multiagentes;

– Aplicações para internet;

– Tolerância a Falhas;

– Alto desempenho ou programação paralela.

Programação Distribuída

Conceito– Entende-se por programação distribuída (ou

processamento distribuído) como sendo um programa concorrente executado sobre um sistema de hardware com memória distribuída.

• Obs: alguns autores desconsideram a memória

– Um programa distribuído pode acessar a memória de vários computadores e não só de uma única máquina.

• Via protocolos especiais, por software

– Deve ser possível criar e gerenciar processos em outros computadores.

• Nem sempre de forma simples

Programação Paralela

Conceito– Programação paralela pode ser vista como um

programa concorrente (equivalente a um seqüencial para o mesmo problema) mas com o objetivo adicional da redução do tempo de resposta.

– Um programa paralelo pode compartilhar a mesma memória ( memória não distribuída ) e vários processadores.

– Ou pode ser um programa distribuído

Principais Aspectos da PC

Aspectos clássicos– Expressão da concorrência

– Sincronização

– Comunicação

Expressão da concorrência– criação e controle das partes concorrentes

Sincronização– redução da concorrência

– necessária para produção de resultados corretos

Principais Aspectos da PC

Comunicação– troca de informações entre as partes concorrentes

– necessária para a produção de resultados

• finais, consistentes

– também chamada de IPC

• InterProcess Communication

Tipos básicos de PC

Em função da arquitetura (hardware)– memória compartilhada

– memória distribuída

Tipos básicos de PC

PC em memória compartilhada– sincronização explícita

• mais complexa

• exige primitivas e técnicas de sincronização

– comunicação implícita

• leitura e escrita de variáveis compartilhadas

• simples

Tipos básicos de PC

PC em memória distribuída– comunicação explícita

• denominada troca de mensagens

• mais complexa

• exige primitivas e técnicas de comunicação

– sincronização implícita

• via semântica da comunicação

• simples, mas nem tanto

Exercícios com resposta :

Desenhe um grafo como o visto anteriormente, paralelizando o máximo possível as instruções da equação ((A+B)*C)+(C+D*E).

De exemplos de aplicações que onde é interessane usar programação paralela para redução do tempo de resposta.

Um programa pode ser classificado como paralelo e distribuído ao mesmo tempo ? Justifique.

Respostas :

Computação gráfica ( renderização, reconhecimento de padrões,

criação de texturas, etc )

Problemas de otimização linear ( processamento dos ótimos locais em

paralelo )

Cálculos vetoriais ( soma, subtração, multiplicação, divisão,

concatenação de vetores )

Início

D * E

C

A+B *

+Fim+

Respostas :

Sim, uma das opções não exclui a outra.

Um programa de rede pode ser distribuído ( memória diferente para cada nó de processamento) e também pode ser paralelo ( tarefas divididas pelas diversas máquinas da rede ) de forma a diminuir o tempo de resposta.

Exercícios complementares :

Os microprocessadores modernos em geral são superescalares, ou seja, dividem o processamento de um programa em duas filas de execução, de forma que partes distintas de um programa são executadas em paralelo.

Por que os programas executados em superescalares não são considerados programas paralelos ?

Por que os programas de simulação são melhor implementados usando concorrência ?

Programas de navegação pela Internet ( Netscape , Internet Explore ) são concorrentes ? Por quê ?

Atividade em Grupo

Pesquise as linguagens de programação que você usa e ou as linguagens de programação que estão em foco e descubra se elas possuem suporte para programação concorrente, tais como :

– Ambiente de programação adequado à concorrência ;

– Comandos específicos ;

– Bibliotecas ;

– Funções e Procedimentos ;

Depois discuta com seus colegas o que você descobriu, mostrando as vantagens e desvantagens de cada linguagem.

Conclusões

Um programa concorrente é mais difícil de ser implementado devido à inclusão de sincronização no acesso ao código

e às variáveis Devido à inclusão de primitivas de comunicação

Algumas problemas e aplicações são concorrentes por definição e possuem um melhor resultado se implementados concorrentemente.

Conclusões

Programação paralela é utilizada quando o principal objetivo é diminuir o tempo de resposta.

Programação distribuída deve levar em conta o tempo perdido com a comunicação entre as CPUs. Incluindo a paralela distribuída

Auto-avaliação :

Responda as questões abaixo, sem rever os slides anteriores, para testar seus conhecimentos adquiridos até agora :

Quais os pré-requisitos para aprender PC? Qual a linguagem básica para ilustração dos conceitos de

PC? Quais ambientes são apropriados para PC? Qual a relação entre SO e PC? O que é um programa concorrente? Quais os 3 principais componentes da PC? Cite 3 exemplos de aplicações concorrentes : Cite 2 vantagens de programação concorrente :

Auto-avaliação :

Por que a sincronização é importante ? Qual o conceito de programa paralelo e de

programa distribuído ? O que é uma tarefa? Quais os tipos principais de sincronização?

Auto-avaliação :

Qual o “melhor” livro para PC? Qual o “melhor” para SOD? Qual o livro que contém ambos os tópicos, PC e

SOD? Para PC, quais livros são suficientes para a

disciplina?

Auto-avaliação :

Quais os tipos de PC conforme hw? Em qual tipo a sincronização é complicada? Em qual tipo a comunicação é complicada?

Se você conseguiu responder a estas perguntas, está apto a prosseguir no curso, senão releia os slides.

Auto-avaliação

Principal– PC?

– PD?

– PP?

– Aplicações da PC?

– Vantagens da PC?

– Desvantagens da PC?

– Principais componentes da PC?

Auto-avaliação

Principal– Tipos de sincronização?

– Tipos de arquitetura x PC?

Auto-avaliação

Principal– Sincronização em memória compartilhada?

• Complexidade?• Importância?

– Sincronização em memória distribuída?• Idem

– Idem para comunicação?