gerência de processos: deadlocks
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Apresentar um descrição formal de deadlock, um problema que impede que conjuntos de processos colaborativos possam completar suas tarefas Apresentar algumas técnicas e métodos para prevenir e impedir a ocorrência de deadlocks em sistemas computacionaisTRANSCRIPT
Sistemas Operacionais I
Gerência de Processos: Deadlocks
Prof. Alexandre Duarte : http://alexandrend.comCentro de Informática | Universidade Federal da Paraíba
Estes slides são baseados no material que acompanha o livro Operating Systems Concepts de Silberschatz, Galvin and Gagne
Objetivos
Apresentar um descrição formal de deadlock, um problema que impede que conjuntos de processos colaborativos possam completar suas tarefas
Apresentar algumas técnicas e métodos para prevenir e impedir a ocorrência de deadlocks em sistemas computacionais
O problema
Um conjunto de processos bloqueados onde cada um possui o controle de um recursos e aguarda para obter o controle de um outro recurso mantido por um outro processo no conjunto
Exemplo O sistema possui dois discos rígidos P1 e P2 mantém cada um o controle de um dos discos e deseja
obter o controle do outro disco
Exemplo semáforos A e B, inicializados com 1
P0 P1
wait (A); wait(B)wait (B); wait(A)
Exemplo do cruzamento da ponte
Tráfego em apenas um sentido Cada seção da ponte pode ser vista como um recurso Se um deadlock ocorrer ele pode ser resolvido se um dos
carros der ré (preempção e reversão) Vários carros podem precisar dar ré caso ocorra um
deadlockStarvation is possible
A maioria dos SOs não previne ou resolve deadlocks
Caracterização de deadlocks
Exclusão mútua: apenas um processo pode utilizar um recurso por vez
Posse e espera: um processo em posse de um recurso pode esperar para adquirir recursos adicionais em posse de outros processos
Não preempção: um recurso só pode ser liberado voluntariamente pelo processo que o está utilizando
Espera circular: existe um conjunto de processos bloqueados {P0, P1, …, P0} onde P0 aguarda por um recurso em posse de P1, P1 aguarda por um recurso em posse de P2, …, Pn–1 aguarda por um recurso em posse de Pn, e Pn aguarda um recurso em posse de P0.
Modelagem do sistema
Tipos de recursos R1, R2, . . ., Rm
ciclos de CPU, espaço de memória, dispositivos de E/S
Cada tipo de recurso Ri possui Wi instâncias. Cada processo utiliza um recurso como
segue: requisição Uso liberação
Grafo de alocação de recursos
O conjunto V possui dois tipos de vértices: P = {P1, P2, …, Pn}, representando todos os
processos no sistema R = {R1, R2, …, Rm}, representando todos os
recursos no sistema Aresta de solicitação: – uma aresta de um
processo para um recurso (Pi Rj) Aresta de atribuição: um vértice de um
recurso para um processo (Rj Pi)
Grafo de alocação de recursos
Processo
Tipo de recurso com 4 instâncias
Pi requisita uma instância de Rj
Pi está em posse de uma instância de Rj
Pi
Pi
Rj
Rj
Exemplo de um grafo de alocação de recursos
Grafo de alocação de recursos com deadlock
Grafo com um ciclo mas sem deadlock
Fatos básicos
Se o grafo não possui ciclos não há deadlock
Se o grafo possui ciclos se há apenas uma instância por tipo de recurso
então tem-se um deadlock se há mais de uma instância por tipo de recurso
então há a possibilidade de um deadlock
Métodos para lidar com deadlocks
Garantir que o sistema nunca entrará em um estado de deadlock
Permitir que o sistema entre em deadlock e recuperar o sistema
Ignorar o problema e fingir que deadlocks nunca ocorrem (utilizado pela maioria dos sistemas operacionais, incluindo Unix)
Prevenção de deadlocks
Exclusão mútua – não é necessária para recursos compartilháveis; precisa valer para recursos não compartilháveis
Posse e espera – precisa garantir que sempre que um processo requisite novos recursos ele não esteja em posse de nenhum outro recurso Exigir que um processo requisite e receba todos os
recursos antes de iniciar sua execução, ou permitir que um processo só requisite recursos quando não tiver nenhum recurso
Implica em baixa utilização de recurso e possibilidade de starvation
Prevenção de dadlocks
Não-preempção Se um processo que está de posse de um recurso solicita um
outro recurso que não pode ser alocado imediatamente para ele todos os recursos em seu poder são imediatamente liberados
Os recursos liberados são adicionados à lista de recursos necessários para a execução do processo
O processo será reiniciado quando puder obter novamente todos os recursos que já tinha e também os novos recursos de que necessitava
Espera circular – impor uma ordenação total nos tipos de recursos e exigir que todos os processo requisitem os recursos em ordem crescente de numeração
Impedimento de deadlocks
A forma mais simples e útil requer que cada processo declare a quantidade máxima de cada tipo de recurso disponível que ele pode precisar
O algoritmo de impedimento de deadlocks examina dinamicamente o estado da alocação de recursos para garantir que jamais ocorra uma condição de espera circular
O estado da alocação de recursos é definido pela quantidade de recursos disponíveis e alocados e pelas demandas máximas dos processos
Estado seguro
Quando um processo requisita um recurso disponível, o sistema precisa decidir se a alocação imediata deixa o sistema em um estado seguro
O sistema está em um estado seguro se existe uma sequência <P1, P2, …, Pn> com todos os processos do sistema na qual para cada Pi, os recursos que Pi ainda pode precisar podem ser alocados com os recursos disponíveis no momento + recursos em posse dos processos Pj, com j < i
Ou seja: Se os recursos que Pi precisa não puderem ser fornecidos
imediatamente, Pi pode esperar até que todos os processos Pj terminem Quando Pj terminar, Pi pode obter os recursos necessários, executar,
liberar os recursos e terminar Quanto Pi termina, Pi +1 pode obter os recursos de que necessita e
assim por diante
Fatos básicos
Se o sistema está em um estado seguro não há deadlock
Se o sistema está em um estado inseguro há possibilidade de deadlock
Impedimento garantir que o sistema jamais entre em um estado inseguro
Estado seguro, inseguro e de deadlock
Algoritmos para impedimento de deadlocks
Instância única para cada recurso Utilizar um grafo de alocação de
recursos Múltiplas instâncias de algum tipo de
recurso Utilizar o algoritmo do banqueiro
Esquema do grafo de alocação de recursos Aresta de requisição: Pi Rj indica que um processo Pj pode vir a
requisitar o recursos Rj; representada por uma linha pontilhada
Arestas de requisição são convertidas em arestas de solicitação quando o processo efetivamente requisita o recurso
Uma aresta de solicitação é convertida em uma aresta de atribuição quando o recurso é alocado para o processo
Quando o recurso é liberado pelo processo a aresta de atribuição é novamente convertida para uma aresta de requisição
Os processos precisam anunciar a priori para o sistema quais recursos podem vir a solicitar, criando inicialmente todas as arestas de requisição
Grafo de alocação de recursos
Grafo de alocação de recursos inseguro
Algoritmo do grafo de alocação de recursos
Suponha que o processo Pi requisite um recursos Rj
Essa requisição só pode ser autorizado se converter a aresta de requisição em uma aresta de atribuição não resultar na formação de um ciclo no grafo de alocação de recursos
Algoritmo do banqueiro
Múltiplas instâncias
Cada processo deve declarar a priori a utilização máxima de recursos
Quando um processo solicita recursos ele pode ter que esperar
Quando um processo obtém todos os recursos de que necessita ele deve liberá-los em uma quantidade finita de tempo
Estruturas de dados utilizadas pelo algoritmo do banqueiro
Disponível: Vetor de comprimento m. Se disponivel [j] = k, existem k instâncias do recurso Rj disponíveis
Max: matriz n x m matrix. Se Max [i,j] = k, então o Pi pode solicitar, no máximo, k instâncias do recurso Rj
Alocação: matriz n x m. Se alocação [i,j] = k então o processo Pi está atualmente em posse de k instâncias do recursos Rj
Necessidade: matriz n x m. Se necessidade [i,j] = k, então o processo Pi pode precisar de mais k instâncias do recurso Rj para poder completar sua tarefa
Necessidade [i,j] = Max[i,j] – Alocação [i,j]
Algoritmo de segurança
Algoritmo para solicitação de recursos
Exemplo de execução do algoritmo do banqueiro
Exemplo de execução do algoritmo do banqueiro
O estado atual é seguro?
O que acontece se o sistema receber a seguinte sequência de solicitações? P1 requisita (1,0,2)
P4 requisita (3,3,0)
P0 requisita (0,2,0)
Detecção de deadlocks
Permite que o sistema entre em um estado de deadlock
Utiliza um algoritmo de detecção para identificar esta situação
Utiliza um esquema de recuperação para eliminar o deadlock
Instância única de cada recurso
Mantem um grafo de espera Os nós são processos Pi Pj se Pi está esperando por Pj
Um algoritmo de detecção de ciclos é executado periodicamente. Se existe um ciclo, existe um deadlock
Um algoritmo para detecção de ciclos tem complexidade O(n2), onde n é o número de nós no grafo
Grafo de alocação de recursos e grafo de espera
Várias instâncias de um recurso
Disponível: Um vetor de comprimento m indica a quantidade de instâncias disponíveis para cada tipo de recurso
Alocação: Uma matriz n x m define o número de instâncias de cada tipo de recurso alocadas para cada processo
Requisição: Uma matriz n x m indicando as requisições realizadas por cada processo. Se requisição [ij] = k, o processo Pi está requisitando mais k instâncias do recurso Rj.
Algoritmo de detecção
Exemplo do algoritmo de detecção
Exemplo do algoritmo de detecção
O sistema está em deadlock?
O que acontece se P2 requisitar uma instância a mais do recursos C ?
Uso do algoritmo de detecção
Quando e com que frequência invocar o algoritmo depende de: O quão frequente é a ocorrência de um deadlock Quantos processos precisaram ser revertidos?
um para cada ciclo disjunto
Se o algoritmo for executado arbitrariamente ele pode encontrar vários ciclos no grafo de recursos e pode não ser possível identificar qual dentre os processos em deadlock “causou” o problema.
Recuperação: Terminação de processos
Matar todos os processos em deadlock
Matar um processo de cada vez até que o ciclo seja desfeito
Em que ordem matar os processos? Prioridade Tempo de computação e tempo adicional necessário para
conclusão Recursos utilizados pelo processo Recursos necessários para que o processo conclua sua
execução Quantidade de processos a ser finalizada O processo é interativo ou de lote?
Recuperação: Preempção de recursos
Selecionar uma vítima que minimize os custos
Retroceder o processo: voltar para algum estado seguro
Starvation – o mesmo processo pode ser sempre escolhido como vítima