Concurrencia de procesos
La concurrencia de procesos se refiere a las situaciones en las que dos o más procesos puedan coincidir en el acceso a un recurso compartido o, dicho de otra forma, que requieran coordinarse en su ejecución. Para evitar dicha coincidencia, el sistema operativo ofrece mecanismos de arbitraje que permiten coordinar la ejecución de los procesos.
Contenido
El problema del productor y consumidor
Un ejemplo de un problema de concurrencia sería el siguiente: dados dos procesos A (productor) y B (consumidor) que se ejecutan indefinidamente en el tiempo, el proceso A debe recibir tiempo de ejecución antes que B. Tras esto, el proceso B debe recibir su oportunidad de ejecución, dando paso de nuevo al proceso A y así sucesivamente, siguiendo un esquema de alternancia estricta.
proceso A |-- -- --
|
proceso B | -- -- --
|_____________
Recuerde que el planificador de procesos, al desconocer la naturaleza de los procesos y sus objetivos, no dispone de información suficiente para garantizar la secuencia de ejecución descrita en el ejemplo anterior. De este modo, suponiendo que ambos procesos se encuentran en estado preparado, podría seleccionar al proceso B para pasar a estado activo antes de seleccionar al proceso A, situación que no es deseada.
El planificador de procesos, como hemos visto en capítulos anteriores, emplea criterios de planificación que no tienen en consideración el objetivo de los procesos. Podemos decir que este desconoce cuál es el propósito de los procesos; únicamente puede observar si presentan un comportamiento más o menos interactivo.
Por tanto, el programador, a la hora de modelar los procesos, debe emplear los mecanismos de arbitraje que ofrece el sistema operativo y que permitirían resolver el problema de concurrencia que se plantee.
Mecanismos de arbitraje
Los mecanismos de arbitraje que ofrece el sistema operativo son dos principalmente:
- Mecanismos de sincronización: el sistema operativo ofrece mecanismos que permiten a los procesos coordinar su ejecución para conseguir el objetivo sin que sucedan situaciones no deseadas, como por ejemplo que dos o más procesos coincidan simultáneamente en el acceso a un cierto recurso que no se puede compartir.
- Mecanismos de mensajería: el sistema operativo ofrece mecanismos de comunicación entre procesos mediante mensajes. El intercambio de mensajes entre procesos permite coordinarlos.
Programación concurrente
El término programación concurrente se emplea con frecuencia para referirse a un conjunto de programas que funcionan en cooperación.
Hay tres formas de interacción entre procesos cooperativos:
- Concurrencia: Hay un recurso común, si varios procesos modificaran la misma información a la vez, cada uno podría destruir parte del trabajo de los demás. Si lo hacen uno tras otro, en serie, se obtendrá el resultado correcto.
- Sincronización: El Sistema Operativo se encarga de enviarle señales a los procesos para coordinar su evolución y conseguir que progrese armónicamente.
- Comunicación: El S.O. transmite mensajes entre los procesos, que se usan para intercambiar, enviar o recibir información.
Se le llama programación concurrente ya que la concurrencia fue la primera forma de iterar recursos entre procesos cooperativos.
Sección crítica
Una sección crítica se trata de una sección del código que no debe ser ejecutada por varios procesos o hilos simultáneamente. Un ejemplo de sección crítica es la sección de código en la que se accede a un recurso compartido. Para evitar el acceso simultaneo a la sección crítica se emplean mecanismos que garantizan la exclusión mutua.
La exclusión mutua se debe realizar de forma coordinada y eficiente, para ello se requiere:
- No más de un proceso por sección crítica y recurso compartido.
- El mismo proceso no puede usar el mismo recurso compartido indefinidamente.
- Todo proceso debe entrar antes o después a usar el recurso.
- Si el recurso está sin uso, cualquiera que lo requiera dispondrá de él inmediatamente.
- Si hay varios esperando usar el recurso y éste se libera, uno de los que estaba esperando lo usará durante un tiempo determinado.
Para llevar esto a cabo se necesita un protocolo que indique cuando el recurso está libre y cuando está siendo ocupado.
Tipos de mecanismos de sincronización
Los mecanismos de sincronización los podemos catalogar en dos categorías:
- Optimistas: Este mecanismo considera que la frecuencia de acceso a un cierto recurso compartido es baja. Este tipo tiene más consumo de memoria, ya que tiene que copiar el recurso compartido y, en caso de interferencia en el hilo, tiene que volver a ejecutarlo y consume más recursos.
- Pesimistas: Este mecanismo permite coordinar la ejecución de dos o más procesos que acceden al recurso compartido con una frecuencia alta.
Dependerá del criterio del programador el tipo de mecanismo que utilice ya que puede que no elija el tipo correcto. Por ejemplo, puede que la frecuencia de acceso a un cierto recurso sea alta y el programador le asigna un mecanismo optimista, esto provocaría no obtener el resultado esperado.
¿Cómo provocar errores de concurrencia en Java?
Pequeño experimento, por si queremos observar cómo se producen errores de concurrencia en operaciones tan simples como la actualización de una lista.
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
/*
* EXPLICACIÓN:
*
* Tenemos creada una lista global, "list" , que será accedida al mismo
* tiempo por varios hilos. En este código se observa como a veces se
* producen errores de concurrencia al realizar modificaciones sobre la
* lista al mismo tiempo. Este es el motivo por el que debemos usar
* mecanismos como los semáforos u otras técnicas para prevenir este
* tipo de errores.
*
* Los errores de concurrencia en java se muestran como:
* ConcurrentModificationError
*
* También es curioso notar que los errores se dan sobretodo al principio, en
* los 30 primeros segundos, luego hay hilos que no se vuelven a
* ejecutar mientras que un par de ellos de forma aleatoria, se ejecutan
* cíclicamente, uno tras el otro.
*
*/
// -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
// Los hilos con esta tarea añaden un número aleatorio de 0 a 100 en la
// lista cada seg.
Runnable tarea = () -> {
while (true) {
String nombreHilo = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("Hola soy el hilo " + nombreHilo);
list.add(new Random().nextInt(100));
System.out.println(list);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// Los hilos con esta tarea añaden también otro número aleatorio de 0 a
// 100 en la lista cada seg.
Runnable tarea2 = () -> {
while (true) {
String nombreHilo = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("Hola soy el hilo " + nombreHilo);
list.add(new Random().nextInt(100));
System.out.println(list);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// Los hilos con esta tarea eliminan un número de una posición aleatoria
// cada seg.
Runnable tarea3 = () -> {
while (true) {
String nombreHilo = Thread.currentThread().getName();
System.out.println("Hola soy el hilo " + nombreHilo);
Random r = new Random(list.size());
if (list.contains(r))
list.remove(r);
System.out.println(list);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
//Creación de Hilos.
Thread hilo = new Thread(tarea);
Thread hilo2 = new Thread(tarea2);
Thread hilo3 = new Thread(tarea3);
Thread hilo4 = new Thread(tarea3);
Thread hilo5 = new Thread(tarea);
Thread hilo6 = new Thread(tarea3);
//Ejecución.
hilo.start();
hilo2.start();
hilo3.start();
hilo4.start();
hilo5.start();
hilo6.start();
}
