Comunicación y sincronización

2.2.2.  Utilización de los semáforos


A continuación, presentamos tres posibles usos de los semáforos: exclusión
mutua, contador de recursos y sincronización.

Acceso a la sección crítica en exclusión mutua


Para asegurar el acceso a la sección crítica en exclusión mutua, hay que utilizar
los semáforos binarios o n-arios de la manera siguiente:


1)￿Se￿inicializa￿el￿semáforo. El valor inicial del semáforo ha de ser 1 para indi-
car que no hay ningún proceso dentro de la sección crítica y dejar paso al pri-
mer proceso que pida permiso para entrar mediante la operación sem_wait.


2)￿Se￿ejecuta￿la￿operación￿sem_wait. El proceso que quiere acceder a una
zona compartida en exclusión mutua ejecuta la función sem_wait sobre el
semáforo asociado a la sección.


3)￿Se￿ejecuta￿la￿operación￿sem_signal. El proceso que ha finalizado la eje-
cución de la zona crítica libera la exclusión y permite el paso a otros procesos.


Como ejemplo, veamos cuál sería el código de los procesos usuario y del pro-
ceso gestor de la impresora en caso de que utilicen semáforos para actualizar
la variable compartida trabajo_pendiente.


En un principio, el sistema inicializa la variable semáforo exclusion, utilizando
el código de la figura 13. Consideremos el código￿de￿un￿proceso￿usuario
(figura 14) y el código￿del￿proceso￿gestor￿de￿la￿impresora (figura 15).


    semaphore exclusion;

    ...
    sem_init(exclusion, 1);


Figura 13. Definición de la variable de tipo semáforo e inicialización


    ...
    /*Generar fichero*/
    ...

    sem_wait(exclusion);
    trabajo_pendiente = trabajo_pendiente + 1;
    sem_signal(exclusion);

    ...


Figura 14. Código de los procesos usuario


    ...

    while (cierto){
       /* Espera activa */

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GNUFDL • PID_00214803                                                                                  18                                                                                         Comunicación y sincronización


       while (trabajo_pendiente == 0);
       sem_wait(exclusion);

       trabajo_pendiente = trabajo_pendiente - 1;
       sem_signal(exclusion);
       /*Enviar trabajo a la impresora*/

       ...
    }


Figura 15. Código del proceso gestor

Para ilustrar el comportamiento y el funcionamiento de los semáforos, mostra-
mos a continuación un posible escenario de ejecución de tres procesos usuario
(P1, P2, P3) y el proceso gestor (G1). Las diferentes columnas indican qué ac-
ciones llevan a cabo cada uno de los procesos en cada unidad de tiempo, qué
procesos están esperando el semáforo, qué proceso está dentro de la sección
crítica y cuál es el valor del semáforo en cada instante concreto (figura 16).


Supondremos que el semáforo, exclusion, se ha inicializado en 1 y que los
procesos usuario y el proceso gestor están dentro de un bucle infinito. Los pro-
cesos usuario generan continuamente trabajos que se envían a la impresora.
El proceso gestor imprime continuamente los trabajos que han generado los
procesos usuario.


En la tabla se ve que en el tiempo T0 se inicializa el semáforo y todavía no se ha
creado ningún proceso. No hay ningún trabajo pendiente de ser imprimido.
En T1, el semáforo exclusion ha decrementado su valor hasta 0. Esto indica
que un proceso ha recibido el permiso para entrar en la sección crítica. En
este caso, ha sido el proceso usuario P1. El resto de los procesos, el gestor
y los usuarios están intentando entrar en la sección, pero el mecanismo del
semáforo asegura que ningún otro proceso pueda entrar hasta que P1 lo libere
mediante la ejecución de la operación sem_signal(exclusion).






























Figura 16. Evolución del estado de los tres procesos usuario, del proceso gestor y del semáforo

Supongamos que los tres procesos usuario generan los ficheros correspondien-                               (9)Con esta utilización de los semá-
tes y, tal como se ha indicado en el código del proceso usuario, a continua-                               foros, el orden de acceso de los
                                                                                                           procesos a la sección crítica es to-
ción examinan el valor del semáforo exclusion con la intención de decre-                                   talmente aleatorio.

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mentarle el valor y entrar en la sección crítica (modificar la variable). Uno de
los tres tiene éxito, aunque no podemos asegurar cuál acabará entrando9 en la
sección crítica. En el ejemplo, la operación sem_wait que ejecuta P1, después
de haber leído el valor del semáforo a 1, debe apropiarse la variable semáforo
y evitar que el resto de los procesos concurrentes (P2 y P3) puedan acceder
a ella antes de que sea modificada (decrementada a 0). Éste es el motivo por
el cual el código de la operación sem_wait debe ser indivisible. Más adelante
veremos cómo podemos conseguirlo.


Una  vez  dentro  de  la  sección  crítica,  el  proceso  P1  actualiza  la  va-
riable.  A  continuación,  libera  la  sección  crítica  ejecutando  la  operación
sem_signal(exclusion). En este instante, P2, P3 y el proceso gestor de la
impresora tienen la misma probabilidad de entrar en la sección crítica. En el
ejemplo, es el proceso P3 el que lo consigue. Se vuelven a repetir las mismas
operaciones y cuando P3 libera la sección entra de nuevo P1, mientras que los
procesos P2 y el proceso gestor de la impresora continúan esperándose. Esta
situación se conoce como inanición y no es deseable; más adelante, al hablar
de la implementación de los semáforos, veremos cómo se puede evitar.


Observación: la granularidad￿de￿un￿semáforo indica el número de zonas crí-
ticas a las que está asociado. Distinguimos dos grados de granularidad:


•  Granularidad￿baja: implica tener semáforos diferentes para zonas críticas
    diferentes. Esto aumenta el grado de concurrencia entre los diferentes pro-
    cesos concurrentes. En general, interesa tener este grado de granularidad.


•  Granularidad￿alta: es cuando se utiliza un mismo semáforo para asegu-
    rar la exclusión mutua de diferentes zonas críticas (independientes entre
    ellas).

Contador de recursos disponibles


Muchas aplicaciones deben controlar la cantidad de recursos disponibles de
un determinado tipo pero no necesitan saber exactamente cuántos recursos
disponibles hay, sólo necesitan saber si hay alguno; si no hay ninguno, han
de esperar a que haya alguno libre.


Es posible utilizar semáforos n-arios en este entorno. El contador asociado al
semáforo reflejará el número de recursos disponibles.


1)￿Se￿inicializa￿el￿semáforo. El valor inicial del semáforo debe ser el número
inicial de recursos disponibles (será un número entero mayor o igual que cero).

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GNUFDL • PID_00214803                                                                                  20                                                                                         Comunicación y sincronización

2)￿Se￿ejecuta￿la￿operación￿sem_wait. Cuando un proceso necesite un recurso,
invocará esta operación. Si hay algún recurso disponible, se decrementará el
contador asociado al semáforo; de lo contrario, se esperará hasta que haya
algún recurso disponible.


3)￿Se￿ejecuta￿la￿operación￿sem_signal. El proceso que ha finalizado en la
utilización de un recurso incrementa el contador y permite que otros procesos
lo utilicen.


El ejemplo anterior de los procesos usuario y el proceso gestor de la impreso-
ra se podría haber resuelto utilizando un semáforo n-ario y aprovechando el
contador del semáforo para acumular el número de trabajos pendientes (figu-
ra 17). El proceso usuario incrementará este contador haciendo sem_signal
(figura 18) y el proceso gestor esperará la aparición de trabajos efectuando
sem_wait (figura 19). El contador asociado al semáforo indicará el número
de trabajos pendientes.


    semaphore trabajos_pendientes;
    ...

    sem_init(trabajos_pendientes, 0);


Figura 17. Definición de la variable de tipo semáforo e inicialización


    ...

    while (cierto){
       /*Generar fichero*/
       ...

       sem_signal(trabajos_pendientes);
    }


Figura 18. Código de los procesos usuario


    ...
    while (cierto){
       sem_wait(trabajos_pendientes);

       /*Enviar trabajo a la impresora*/
       ...
    }


Figura 19. Código del proceso gestor de la impresora


En el apartado 2 del anexo, tenéis un ejemplo más completo de la utilización
de este tipo de semáforos. Fijaos que en la figura 19 el gestor se bloquea si
no hay trabajos pendientes. En cambio, el código de la figura 15 hacía una
espera activa.

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GNUFDL • PID_00214803                                                                                  21                                                                                         Comunicación y sincronización

Sincronización entre procesos

Un semáforo binario o n-ario puede implementar una sincronización entre
dos procesos en la que un proceso espera una autorización por parte del otro
con el fin de poder continuar su ejecución.


1)￿Se￿inicializa￿el￿semáforo. El valor inicial del semáforo debe ser 0.


2)￿Se￿ejecuta￿la￿operación￿sem_wait. El proceso que espera la autorización
por parte del otro proceso debe invocar esta operación.


3)￿Se￿ejecuta￿la￿operación￿sem_signal. El proceso que debe conceder la au-
torización ha de invocar esta operación.


El proceso que espera la autorización (figura 21) ejecutará el código posterior
al sem_wait únicamente cuando el proceso que autoriza (figura 22) haya eje-
cutado el sem_signal.


    semaphore sync;

    ...
    sem_init(sync, 0);


Figura 20. Definición de la variable de tipo semáforo e inicialización


    ...
    sem_wait(sync);
    ...


Figura 21. Código del proceso que espera autorización


    ...
    sem_signal(sync);

    ...


Figura 22. Código del proceso que autoriza