sincronização distribuída de processos

Sincronização Distribuída de Processos

Francisco Heron de Carvalho Junior, Dr.

Tópicos Abordados

• Concorrência e Sincronização;• Mecanismos de sincronização de processos;

– Memória Compartilhada;• Semáforos e monitores

– Memória DistribuídaMemória Distribuída;;• Passagem de mensagens Passagem de mensagens assíncronaassíncrona;;• Passagem de mensagens Passagem de mensagens síncronasíncrona;;• Chamada de procedimento remoto (RPC);Chamada de procedimento remoto (RPC);• Rendezvous;Rendezvous;

• Paradigmas de sincronização distribuídaParadigmas de sincronização distribuída;;• Conclusões;

Objetivos

Concorrência e Sincronização

Objetivo:Definir o conceito de sincronização dentro

do contexto de concorrência

Concorrência e Sicronização(processos)

• Processos: procedimentos concorrentes– Procedimento: sequência de ações (ordem total);

– Linhas de instruções independente;

– Programa concorrente: ordem parcial de ações;

P

P1

P2

Pn

paradigma sequencial paradigma concorrente

... ...

Concorrência e Sicronização(arquiteturas concorrentes)

... ...

uniprocessadamultiprocessada(memória compartilhada) distribuída

Unidade de memória

Unidade de processamento

Processorederede

Concorrência e Sincronização(Histórias de Execução)

• Histórias de Execução:– Sequência de ações executadas por um programa;– Número de histórias possíveis, mesmo para

programas simples, é enorme !!!!

• Interferência entre processos concorrentes:– Um processo invalida uma suposição que diz

respeito ao estado de um outro processo em execução, levando-o a um estado inconsistente;

Concorrência e Sincronização(Modelando Interferência usando Lógica de Programação)

• Estado de um processo:– Conteúdo do valor das variáveis em seu escopo;

• Podemos caracterizar um conjunto de estados por meio de predicados lógicos (Tony Hoare, 1969);– {P} S {Q}

– P é uma pré-condição (pre(S));

– Q é uma pós-condição (pos(S));

– S é uma ordem parcial de ações;

• Lógica de programação:– Conjunto de axiomas e regras de inferência para prova de corretude

parcial de programas;

– Extensão à lógica de predicados;

Concorrência e Sincronização(Modelando Interferência usando Lógica de Programação)

• Ação elegível;• Seja C um predicado que que caracteriza o estado de

execução de um processo P1 após a execução da ação s1 e antes da execução da ação s2:– P1:: ... s1 {C} s2 ...– C é chamada assertiva crítica;

• Seja a uma ação de atribuição em um processo P2:– P2 :: ... {P} a {Q} ...

• Em nenhuma história possível, a execução de a deve tornar C falso quando s2 é elegível;– {C P} a {C}

• Caso contrário, diz-se que P2 interfere com P1;

x := e

Concorrência e Sincronização(Interferência)

• Sincronização;

– Filtragem de histórias indesejáveis, onde ocorre

interferência entre processos ;

• Como evitar interferência ?

– Exclusão mútua;

– Sincronização condicional;

Concorrência e Sincronização(Exclusão Mútua)

• Exclusão mútua:

– Agrupar sequências de ações em ações de mais

grossa granularidade;

a1; a2; ... ; an

• Execução atômica de sequências de ações;

– Escondendo o estado que sofre interferência;• Seções críticas;

• P1:: ... a1 {C} a2 ...

Concorrência e Sincronização(Exclusão Mútua)

• Sincronização condicional:

– Um processo atrasa sua execução até que uma condição torne-se

verdadeira;

– wp(S,Q): predicado mais fraco para que, depois da execução de a

a, Q seja verdadeiro:

• Weakest pre-condition;

• ... {wp(S,Q)} S {Q} ...

• Se P wp(S, Q) então P :: ... {P} S {Q} ...

– Evitando interferência:

• P2 :: ... await C wp(a,C) a ...

Concorrência e Sincronização(await)

await B S implementa sincronização

por exclusão mútua e sincronização

condicional;

– Leslie Lamport, 1980;

• Implementação ineficiente em máquinas

convencionais;

– Técnicas baseadas em espera ocupada;

Modelos de Sincronização de Processos (Memória compartilhada)

• Semáforos:– Primitivas de mais baixo nível (wait e signal);

– Simplicidade e eficiência;

– Entretanto, torna complicada a programação para aplicações complexas;

• Monitores:– Mecanismo de mais alto nível de abstração;

– Exclusão mútua implícita;

– Encapsulamento de variáveis;

– Ortogonalização de processos e monitores;

– Apropriado para aplicações complexas que exigem maior estruturação;

Modelos de Sincronização de Processos (Memória distribuída)

• Processos não compartilham variáveis;

• Comunicação através de redes de comunicação;

• Primitivas de sincronização devem suportar o transporte de dados entre processos;

• Mecanismos de Mecanismos de sincronização distribuídasincronização distribuída::– Passagem de Mensagens;Passagem de Mensagens;

• Assíncrona;Assíncrona;

• Síncrona;Síncrona;

– Chamada de procedimento remoto;Chamada de procedimento remoto;

– RendezvousRendezvous;;

Sincronização Distribuída

Passagem de Mensagens Assíncrona


• Canais– Únicos objetos

compartilhados entre processos;

– Abstração de um meio de transmissão (rede);

– Caminho de comunicação entre dois processos;

– Fila de mensagens;

...

sendrecv


sendsend

recvrecv

recvrecv

sendsend

... ... ... ...

... ...

... ...

... ...

... ...... ...

emissoremissor receptorreceptor emissoremissor receptorreceptor

Bloqueio do receptorBloqueio do receptor((sincronizaçãosincronização))

tteemmppoo


• Suposições:– canais seguros;

• Sem corrupção de mensagens;

• Sem replicação de mensagens;

• Sem perda de mensagens;

– mensagens ordenadas;• Recebimento na ordem de envio;

• Canais FIFO (First In, First Out);


• chan ch(id1:type1,..., idn:typen)

• send ch(expr1,..., exprn)

– Os tipos de expri devem corresponder aos tipos dos componentes do canal;

• receive ch(var1,..., varn)

– Os tipos de vari devem corresponder aos tipos dos componentes do canal;

• empty ch– Verifica se o canal está vazio


chan input(char), output([1:MAXLINE] char)Char_to_Line:: var line[1:MAXLINE]: char, i:int := 1 do true receive input(line[i]) do line[i] CR and i < MAXLINE i := i + 1; receive input(line[i]) od send output(line); i:=1 od


Caixa de MensagensCaixa de Mensagens((mail boxesmail boxes))

Porta de EntradaPorta de Entrada((input portinput port))

LigaçãoLigação((linklink))

......

...... ......


• Desvantagens:– Transmissor precisa saber se receptor recebeu a

mensagem:• Uso de reconhecimento;

– Entrega de mensagens não é garantida;• Como saber o que ocorreu caso o reconhecimento não

chegue ??

– Buffers não podem ser infinitos• Muitas mensagens CRASH! ou bloqueio no send;• Violação da semântica do send;


Passagem de Mensagens Síncrona


• Não há buffers;• Processo transmissor espera até que o receptor

receba a mensagem;• Comando de atribuição distribuída;• Vantagens:

– Simplifica a solução de alguns problemas;– Evita manipulação dinâmica de buffers;

• Desvantagens:– Dificulta programação de alguns problemas;

• CSP e OCCAM;


• Processo A deseja comunicar um valor a um processo B através da porta p:– A:: … B!p(e1,e2,…,en) … {envio}– B:: … A?p(x1,x2,…,xn) … {recebimento}

• B permanece bloqueado até que A receba os valores e1, e2,…, en e os atribua às suas variáveis x1, x2,…, xn;– xi := ei, 1 i n

• Os tipos de ei e xi devem ser compatíveis;• Portas identificam tipos de mensagens;


sendsend

recvrecv

recvrecv

sendsend

emissoremissor receptorreceptor emissoremissor receptorreceptor

Bloqueio do receptorBloqueio do receptor((sincronizaçãosincronização))

tteemmppoo

Bloqueio do emissorBloqueio do emissor((sincronizaçãosincronização))


• Comunicação guardada;– Comando de comunicação guardado

• B; C S

• B é uma expressão booleana (opcional);

• C é um comando de comunicação (opcional);

• S é uma lista de comandos;

– B e C compõem uma guarda;– A guarda sucede-se se B é verdadeiro e C não

causa bloqueio;


• Comunicação guardada (uso com if)– Uma das guardas ativas é escolhida não-

deterministicamente;

– if B1; C1 S1

[] B2; C2 S2

[] Bn; Cn Sn

fi

...... ...... ......


• Comunicação guardada (uso com do)– Repetidamente, uma das guardas ativas é

escolhida não-deterministicamente, até quando nenhuma estiver ativa;

– do B1; C1 S1

[] B2; C2 S2

[] Bn; Cn Sn

od

...... ...... ......


Copy :: var buffer[1:10]:char var front:=1, rear:=1, count:=0 do count < 10; West?buffer[rear] count++; rear := (rear mod 10) + 1 [] count > 0; East!buffer[front] count--; front := (front mod 10) + 1 od

GCD :: var x,y: int do (i:1..n) Client ? args(x,y) do xy x:=x-y [] xy y:=y-x od Client[i] ! result(x) od


Chamada de Procedimento Remoto


• Módulos – Ocupam espaços de endereçamento distintos;– Analogia com monitores;– Declaram processos exportados e em background;

• Um processo (servidor) é dinamicamente criado para executar chamada a procedimento remoto;

• O processo que chama o procedimento prossegue após o retorno deste;– Semântica semelhante à chamada sequencial de

procedimentos;


processoprocessochamadorchamador

processo processo servidorservidor

callcall

MóduloMódulo


• Módulo:– module module_name

cabeçalhos de operações exportadas;body declarações de variáveis; código de inicialização; procedimentos para operações exportadas; procedimentos e processos locais (background);end module_name

• Cabeçalho de operação exportada:– op op_name(formals) [returns result];

• Operação:– proc op_name(formals identifiers) returns rident;

declarações de variáveis locais lista de comandosend

• Chamada de procedimento remoto:– call mname.opname(arguments);


• Sincronização condicional e exclusão mútua entre processos servidores e em background:

– Exclusão mútua explícita

• Uso de semáforos e monitores;

– Exclusão mútua implícita:

• Sincronização condicional por variáveis condicionais;


......

REDE DE COMUNICAÇÃOREDE DE COMUNICAÇÃO

módulo módulo

módulo

módulo

módulo

módulo

callcall

callcall


module TimeServer op get_time() returns int; op delay(int interval);body int tod = 0 sem m = 1; sem d[n] = ([n] 0); queue of (int waketime, int process_id) napQ; proc get_time() returns time { time = tod; } proc delay(interval) int waketime = tod + interval; P(m); insert (waketime, myid) em napQ: V(m); P(d[myid]); } (...)


(...) process Clock { inicie cronômetro do sistema; while (true) { tod ++; P(m); while (tod >= menor waketime em napQ) { remove (waketime, id) from napQ; V(d[id]); } V(m); } }end TimeServer


Rendezvous

Rendezvous

• Combinando comunicação e sincronização;• Como em RPC, processo cliente invoca operação

por meio da instrução call;• Diferente de RPC, um único processo servidor é

usado para servir as chamadas aos procedimentos:– Comando de entrada (in);

– Operações são servidas uma de cada vez;

– Sincronização implícita;

• Linguagem ADA;

Rendezvous

processoprocessochamadorchamador

processo processo servidorservidor

(corpo de (corpo de inin))

callcall

MóduloMódulo

inin

Rendezvous

• A operação in:– in op1(formals1) and B1 by e1 S1;[] op2(formals2) and B2 by e2 S2;[] opn(formalsn) and Bn by en Sn;ni

• A operação in:– opi : identificador da operação;– Bi : expressão de sincronização;– ei : expressão de escalonamento;– Si : lista de comandos;

...... ............ ......

Rendezvous

module BoundedBuffer op deposit(typeT), fetch(result typeT);body process Buffer { typeT buf[n]; int front = 0, rear = 0, count = 0; while (true) in deposit(item) and count < n buf[rear] = item; rear = (rear + 1) mod n; count++; [] fetch(item) and count > 0 item = buf[front]; front = (front + 1) mod n; count--; ni }

Paradigmas de Sincronização Distribuída

Padrões de Interação entre Processos


• Tipos de Processos:– Filtros;– Clientes;– Servidores;– Peers;

• Padrões de interação entre-processos:– Produtor / Consumidor (1);– Interacting peers (2);– Cliente / Servidor (3);

• Passagem de mensagens: (1) e (2);• RPC e rendezvous: (3).


• Gerente / Trabalhadores;– Multiplicação de matrizes

esparsas;

– Quadratura adaptativa;

• Algoritmos sistólicos;– Rotulações de regiões

(processamento de imagens);

– Autômatos celulares;

• Algoritmos pipe-line;– Multiplicação de matrizes;

• Probe / echo;– Disseminação em rede;

– Computação da topologia de uma rede;

• Disseminação;– Relógios lógicos e ordenação

de eventos;

– Semáforos Distribuídos

• Passagem do token;– Exclusão mútua distribuída;

– Detecção de terminação (em anel e em grafo);

• Servidores replicados;– Solução descentralizada ao

jantar dos filósofos;

Conclusões

• Computação distribuída tem se tornado onipresente;– Internet, interconectividade, etc;

• Diversos mecanismos surgiram nas últimas décadas para sincronização distribuída;– Nichos de aplicações complementares;

• Padrões de interação conhecidos devem ser observados na construção de aplicações distribuídas;– Esqueletos;

– Templates;

Sincronização Distribuída de Processos

Francisco Heron de Carvalho Junior, Dr.

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