Resumen

Problemas clásicos de comunicación y sincronización

La interacción entre procesos se plantea en una serie de situaciones clásicas de comunicación y sincronización. Estas situaciones, junto con sus problemas, se describen a continuación para demostrar la necesidad de comunicar y sincronizar procesos.

El problema de la sección crítica

Éste es uno de los problemas que con mayor frecuencia aparece cuando se ejecutan procesos concurrentes tanto si son cooperantes como independientes. Considérese un sistema compuesto por n procesos {P₁, P₂, ..., P_N} en el que cada uno tiene un fragmento de código, que se denomina sección crítica. Dentro de la sección crítica, los procesos pueden estar accediendo y modificando variables comunes, registros de una base de datos, un archivo, en general cualquier recurso compartido. La característica más importante de este sistema es que cuando un proceso se encuentra ejecutando código de la sección crítica, ningún otro proceso puede ejecutar en su sección.

Para resolver el problema de la sección crítica es necesario utilizar algún mecanismo de sincronización que permita a los procesos cooperar entre ellos sin problemas. Este mecanismo debe proteger el código de la sección crítica y su funcionamiento básico es el siguiente:

·         Cada proceso debe solicitar permiso para entrar en la sección crítica mediante algún fragmento de código, que se denomina de forma genérica entrada en la sección crítica.

·         Cuando un proceso sale de la sección crítica debe indicarlo mediante otro fragmento de código, que se denomina salida de la sección crítica. Este fragmento permitirá que otros procesos entren a ejecutar el código de la sección crítica.

La estructura general, por tanto, de cualquier mecanismo que pretenda resolver el problema de la sección crítica es la siguiente:

Entrada en la sección crítica

Código de la sección crítica

Salida de la sección crítica

Cualquier solución que se utilice para resolver este problema debe cumplir los tres requisitos siguientes:

·         Exclusión mutua: si un proceso está ejecutando código de la sección crítica, ningún otro proceso lo podrá hacer.

·         Progreso: si ningún proceso está ejecutando dentro de la sección crítica, la decisión de qué proceso entra en la sección se hará sobre los procesos que desean entrar. Los procesos que no quieren entrar no pueden formar parte de esta decisión. Además, esta decisión debe realizarse en tiempo finito.

·         Espera acotada: debe haber un límite en el número de veces que se permite que los demás procesos entren a ejecutar código de la sección crítica después de que un proceso haya efectuado una solicitud de entrada y antes de que se conceda la suya.

Problema del productor-consumidor

El problema del productor-consumidor es uno de los problemas más habituales que surge cuando se programan aplicaciones utilizando procesos concurrentes. En este tipo de problemas, uno o más procesos, que se denominan productores, generan cierto tipo de datos que son utilizados o consumidos por otros procesos, que se denominan consumidores. Un claro ejemplo de este tipo de problemas es el del compilador que se describió anteriormente. En este ejemplo el compilador hace las funciones de productor al generar el código ensamblador que consumirá el proceso ensamblador para generar el código máquina. En la Figura 1.1 se representa la estructura clásica de este tipo de procesos.

Figura 1.1. Estructura clásica de procesos productor-consumidor.

En esta clase de problemas es necesario disponer de algún mecanismo de comunicación que permita a los procesos productor y consumidor intercambiar información. Ambos procesos, además, deben sincronizar su acceso al mecanismo de comunicación para que la interacción entre ellos no sea problemática: cuando el mecanismo de comunicación se llene, el proceso productor se deberá quedar bloqueado hasta que haya hueco para seguir insertando elementos. A su vez, el proceso consumidor deberá quedarse bloqueado cuando el mecanismo de comunicación este vacío, ya que en este caso no podrá continuar su ejecución al no disponer de información a consumir. Por tanto, este tipo de problema requiere servicios para que los procesos puedan comunicarse y servicios para que se sincronicen a la hora de acceder al mecanismo de comunicación.

El problema de los lectores-escritores

En este problema existe un determinado objeto (vea Figura 1.2), que puede ser un archivo, un registro dentro de un archivo, etc., que va a ser utilizado y compartido por una serie de procesos concurrentes. Algunos de estos procesos sólo van a acceder al objeto sin modificarlo, mientras que otros van a acceder al objeto para modificar su contenido. Esta actualización implica leerlo, modificar su contenido y escribirlo. A los primeros procesos se les denomina lectores y a los segundos se les denomina escritores. En este tipo de problemas existe una serie de restricciones que han de seguirse:

·         Sólo se permite que un escritor tenga acceso al objeto al mismo tiempo. Mientras el escritor esté accediendo al objeto, ningún otro proceso lector ni escritor podrá acceder a él.

·         Se permite, sin embargo, que múltiples lectores tengan acceso al objeto, ya que ellos nunca van a modificar el contenido del mismo.

En este tipo de problemas es necesario disponer de servicios de sincronización que permitan a los procesos lectores y escritores sincronizarse adecuadamente en el acceso al objeto.

Comunicación cliente-servidor

En el modelo cliente-servidor, los procesos llamados servidores ofrecen una serie de servicios a otros procesos que se denominan clientes (vea Figura 1.3). El proceso servidor puede residir en la misma máquina que el cliente o en una distinta, en cuyo caso la comunicación deberá realizarse a través de una red de interconexión. Muchas aplicaciones y servicios de red, como el correo electrónico y la transferencia de archivos, se basan en este modelo.

Figura 1.2. Procesos lectores y escritores.

Figura 1.3. Comunicación cliente-servidor.

En este tipo de aplicaciones es necesario que el sistema operativo ofrezca servicios que permitan comunicarse a los procesos cliente y servidor. Cuando los procesos ejecutan en la misma máquina, se pueden emplear técnicas basadas en memoria compartida o archivos. Sin embargo, este modelo de comunicación suele emplearse en aplicaciones que ejecutan en computadores que no comparten memoria y, por tanto, se usan técnicas basadas en paso de mensajes.