Esquema Global: Comunicación y Sincronización

1. Introducción

• Concepto de IPC (inter-process communication)
• Dos escenarios: procesos con memoria compartida y sin memoria compartida
• Problemática de los deadlocks

2. Objetivos

• Conciencia de la necesidad de sincronización
• Compartición de recursos lógicos y exclusión mutua
• Ventajas/desventajas de los mecanismos de sincronización
• Dificultad de uso de las herramientas de acceso exclusivo
• Características del paso de mensajes
• Uso práctico en un SO concreto

3. Comunicación y Sincronización (Marco conceptual)

• Sincronización: acceso secuencial a objetos concurrentes, integridad del sistema
• Comunicación: intercambio de información entre procesos
• Mecanismos: memoria compartida, paso de mensajes, señales

4. Primer Escenario: Compartición de Recursos

4.1 Sincronización de Procesos

4.1.1 ¿Por qué es necesaria?

• Ejemplo: variable trabajo_pendiente (contador de impresiones)
• Código de alto nivel → múltiples instrucciones de máquina
• Copias temporales en registros → inconsistencias
• Escenario 1: no impresión de un trabajo (valor queda en 2, debería ser 3)
• Escenario 2: impresión de trabajo inexistente (valor queda en 4)
• Solución: indivisibilidad de operaciones
• Race conditions (condiciones de carrera)

4.1.2 La sección crítica

• Definición: secuencia de instrucciones que modifican variables compartidas
• Exclusión mutua: sólo un proceso a la vez
• Requisitos: exclusión mutua, sin suposiciones de velocidad, independencia, evitar inanición
• Protocolo: petición → acceso → liberación
• Espera bloqueada (no activa) para mejor utilización del procesador

4.2 Semáforos

4.2.1 Definición

• Variable con contador asociado
• Tres operaciones atómicas: sem_init, sem_wait, sem_signal
• Tipos: binarios (0/1) y n-arios (≥ 0)
• Nombres alternativos: P/V, down/up, acquire/release

4.2.2 Utilización

• Exclusión mutua: semáforo en 1, wait antes, signal después
• Contador de recursos: semáforo en N, wait para consumir, signal para liberar
• Sincronización: semáforo en 0, un espera, otro autoriza
• Granularidad: baja (más concurrencia) vs. alta (menos concurrencia)
• Posible inanición con selección no equitativa

4.2.3 Implementación

• Espera activa (sencilla, ineficiente) vs. bloqueo (mejor utilización)
• Selección FIFO para evitar inanición
• Soporte de hardware necesario para indivisibilidad

4.3 Semáforos en Linux (POSIX)

• Tipo sem_t, llamadas: sem_init, sem_wait, sem_post
• Ejemplo: motor de 4 tiempos (sincronización cíclica)
• Semáforos sin nombre (mismo proceso) vs. con nombre (distintos procesos)

5. Segundo Escenario: Memoria No Compartida

5.1 Paso de Mensajes

5.1.1 Características generales

• Cabecera (fija) + cuerpo (variable)
• Mensajes directos (emisor→receptor explícito) vs. indirectos (buzones)
• Comunicación síncrona (blocante) vs. asíncrona (no blocante)
• Longitud fija vs. variable

5.1.2 Ejemplo: exclusión mutua con mensajes

• Buzón con un mensaje → equivalente a semáforo binario
• Buzón con n mensajes → semáforo n-ario

5.1.3 Paso de mensajes en Unix

• Pipes: procesos con parentesco, pipe() + fork()
• Named pipes: procesos con acceso al mismo directorio, mknod() + open()
• Sockets: procesos en máquinas diferentes, socket() + bind()/connect()
• Colas de bytes FIFO: read(), write(), close()
• Comportamiento especial: cola vacía (bloquea o devuelve 0), cola llena (bloquea), sin consumidor (señal deSoftware)
• Pipes volátiles, sin lseek
• Ejemplo: ps aux | grep getty

5.2 Señales de Software

5.2.1 Descripción

• Analogía con interrupciones de hardware
• Procedencia: dispositivos E/S, excepciones, llamadas explícitas, reloj, efectos laterales
• Tratamiento: usuario, ignorar, por defecto del SO (destrucción)
• Almacenamiento en PCB

5.2.2 Señales POSIX en Linux

• Terminología: generación, tratamiento, depósito, pendiente, programación, captura, bloqueada, ignorada
• Lista de señales principales (SIGHUP, SIGINT, SIGKILL, SIGSEGV, etc.)
• Conjuntos de señales: sigset_t con sigemptyset, sigfillset, sigaddset, sigdelset
• Programación: sigaction con sa_handler, sa_mask, sa_flags
• Generación: kill(), alarm()
• Bloqueo: sigprocmask() con SIG_BLOCK, SIG_UNBLOCK, SIG_SETMASK
• Espera atómica: sigsuspend() (resuelve carrera con pause)
• Depósito sobre procesos bloqueados: aborta o reinicia la llamada al sistema

6. Deadlocks

• Definición: bloqueo indefinido por espera circular de recursos
• Ejemplo clásico: P0 (disco→impresora), P1 (impresora→disco)
• Cuatro condiciones necesarias: exclusión mutua, retención y espera, no expropiación, espera circular
• Estrategias:
  1. Prevenir: ordenar recursos linealmente, pedir en orden creciente
  2. Evitar: control detallado de asignación
  3. Detectar y recuperar: ciclos en grafo de recursos, reiniciar procesos

7. Resumen Global

• Copias temporales → race conditions → semáforos
• Paso de mensajes → pipes/named pipes/sockets
• Señales → notificaciones asíncronas
• Deadlocks → prevención/evitación/detección