2.6 Concurrencia, exclusión mutua y sincronización.
Concurrencia: exclusión mutua y sincronización
Los temas fundamentales del diseño de sistemas operativos están relacionados con la gestión de procesos e hilos:
• Multiprogramación: consiste en la gestión de varios procesos dentro de un sistema mono-procesador.
• Multiprocesamiento: consiste en la gestión de varios procesos, dentro de un sistema multiprocesador.
• Procesamiento distribuido: consiste en la gestión de varios procesos, ejecutándose en sistemas de computadores múltiples y distribuidos. La reciente proliferación de las agrupaciones es el principal ejemplo de este tipo de sistemas.
La concurrencia es fundamental en todas estas áreas y para el diseño sistemas operativos. La concurrencia comprende un gran número de cuestiones de diseño, incluida la comunicación entre procesos, compartición y competencia por los recursos, sincronización de la ejecución de varios procesos y asignación del tiempo de procesador a los procesos. Se verá que estas cuestiones no solo surgen en entornos de multiprocesadores y proceso distribuido, sino incluso en sistemas multiprogramados con un solo procesador.


La concurrencia puede presentarse en tres contextos diferentes:
• Múltiples aplicaciones: la multiprogramación se creó para permitir que el tiempo de procesador de la máquina fuese compartido dinámicamente entre varias aplicaciones activas.
• Aplicaciones estructuradas: como ampliación de los principios del diseño modular y la programación estructurada, algunas aplicaciones pueden implementarse eficazmente como un conjunto de procesos concurrentes.
• Estructura del sistema operativo: las mismas ventajas de estructuración son aplicables a los programadores de sistemas y se ha comprobado que algunos sistemas operativos están implementados como un conjunto de procesos o hilos.
PRINCIPIOS GENERALES DE LA CONCURRENCIA

En un sistema multiprogramado con un único procesador, los procesos se intercalan en el tiempo aparentando una ejecución simultánea. Aunque no se logra un procesamiento paralelo y produce una sobrecarga en los intercambios de procesos, la ejecución intercalada produce beneficios en la eficiencia del procesamiento y en la estructuración de los programas.

La intercalación y la superposición pueden contemplarse como ejemplos de procesamiento concurrente en un sistema monoprocesador, los problemas son consecuencia de la velocidad de ejecución de los procesos que no pueden predecirse y depende de las actividades de otros procesos, de la forma en que el sistema operativo trata las interrupciones surgen las siguientes dificultades:

Compartir recursos globales es riesgoso Para el sistema operativo es difícil gestionar la asignación óptima de recursos. Las dificultades anteriores también se presentan en los sistemas multiprocesador.
El hecho de compartir recursos ocasiona problemas, por esto es necesario proteger a dichos recursos.
Los problemas de concurrencia se producen incluso cuando hay un único procesador.
LABORES DEL SISTEMA OPERATIVO.
Elementos de gestión y diseño que surgen por causa de la concurrencia:
1) El sistema operativo debe seguir a los distintos procesos activos
2) El sistema operativo debe asignar y retirar los distintos recursos a cada proceso activo, entre estos se incluyen:
_Tiempo de procesador
_Memoria
_Archivos
_Dispositivos de E/S
3) El sistema operativo debe proteger los datos y los recursos físicos de cada proceso contra injerencias no intencionadas de otros procesos.
4) Los resultados de un proceso deben ser independientes de la velocidad a la que se realiza la ejecución de otros procesos concurrentes.
Para abordar la independencia de la velocidad debemos ver las formas en las que los procesos interactúan.

INTERACCIÓN ENTRE PROCESOS
Se puede clasificar los en que interactúan los procesos en función del nivel de conocimiento que cada proceso tiene de la existencia de los demás. Existen tres niveles de conocimiento:

1) Los procesos no tienen conocimiento de los demás: son procesos independientes que no operan juntos. Ej: la multiprogramación de procesos independientes. Aunque los procesos no trabajen juntos, el sistema operativo se encarga de la “competencia” por los recursos.
2) Los procesos tienen un conocimiento indirecto de los otros: los procesos no conocen a los otros por sus identificadores de proceso, pero muestran cooperación el objeto común.
3) Los procesos tienen conocimiento directo de los otros: los procesos se comunican por el identificador de proceso y pueden trabajar conjuntamente.
Competencia entre procesos por los recursos
Los procesos concurrentes entran en conflicto cuando compiten por el uso del mismo recurso; dos o más procesos necesitan acceder a un recurso durante su ejecución .Cada proceso debe dejar tal y como esté el estado del recurso que utilice.
La ejecución de un proceso puede influir en el comportamiento de los procesos que compiten. Por Ej. Si dos procesos desean acceder a un recurso, el sistema operativo le asignará el recurso a uno y el otro tendrá que esperar.
Cuando hay procesos en competencia, se deben solucionar tres problemas de control: la necesidad de exclusión mutua. Suponiendo que dos procesos quieren acceder a un recurso no compartible. A estos recursos se les llama “recursos críticos” y la parte del programa que los utiliza es la “sección crítica” del programa. Es importante que sólo un programa pueda acceder a su sección crítica en un momento dado.
Hacer que se cumpla la exclusión mutua provoca un interbloqueo.
Otro problema es la inanición si tres procesos necesitan acceder a un recurso, P1 posee al recurso, luego lo abandona y le concede el acceso al siguiente proceso P2, P1 solicita acceso de nuevo y el sistema operativo concede el acceso a P1 YP2 alternativamente, se puede negar indefinidamente a P3 el acceso al recurso.
El control de competencia involucra al sistema operativo, porque es el que asigna los recursos.
Cooperación entre procesos por compartimiento Comprende los procesos que interactúan con otros sin tener conocimiento explícito de ellos. Ej. : Varios procesos pueden tener acceso a variables compartidas.
Los procesos deben cooperar para asegurar que los datos que se comparten se gestionan correctamente. Los mecanismos de control deben garantizar la integridad de los datos compartidos.
Cooperación entre procesos por comunicación Los distintos procesos participan en una labor común que une a todos los procesos.
La comunicación sincroniza o coordina las distintas actividades, está formada por mensajes de algún tipo. Las primitivas para enviar y recibir mensajes, vienen dadas como parte del lenguaje de programación o por el núcleo del sistema operativo
REQUISITOS PARA LA EXCLUSIÓN MUTUA
Sólo un proceso, de todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un momento dado. Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin interferir con los otros procesos. Un proceso no debe poder solicitar acceso a una sección crítica para después ser demorado indefinidamente, no puede permitirse el interbloqueo o la inanición. Si ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin demora. No se debe suponer sobre la velocidad relativa de los procesos o el número de procesadores. Un proceso permanece en su sección crítica por un tiempo finito. Una manera de satisfacer los requisitos de exclusión mutua es dejar la responsabilidad a los procesos que deseen ejecutar concurrentemente. Tanto si son programas del sistema como de aplicación, los procesos deben coordinarse unos con otros para cumplir la exclusión mutua, sin ayuda del lenguaje de programación o del sistema operativo. Estos métodos se conocen como soluciones por software.

Sincronización
La sincronización se utiliza para regresar a unestado anterior conocido en caso de error durante la sesión.