Semáforos

Planificador de procesos: Diagrama de estados simplicado

Para comprender apropiadamente cómo funcionan los semáforos vamos a recordar el diagrama de estados simplificado que emplea el planificador de procesos del sistema operativo.

                          |---------------|
  pendiente               |               |              recibido
   evento      ---------> |   bloqueado   |-----------    evento
   externo     |          |               |          |    externo
               |          |---------------|          |
               |                                     |
               |             planificador           \/
       |--------------|       retira CPU     |---------------|
       |              | -------------------> |               |
       |    activo    |                      |   preparado   |
       |              | <------------------- |               |
       |--------------|                      |---------------|
                            planificador
                             asigna CPU

La vida de un proceso pasa por tres estados:

• Activo: el proceso está empleando la CPU, por tanto, está ejecutándose. Hay tantos procesos activos como recurso de procesamiento disponible. Por tanto, si el sistema dispone de un único procesador, únicamente puede haber un proceso activo a la vez.
• Preparado: el proceso no está ejecutándose pero es candidato a pasar a estado activo. Es el planificador el que, en base a un criterio de planificación, decide qué proceso selecciona de la lista de procesos preparados para pasar a estado activo.
• Bloqueado: el proceso está pendiente de un evento externo, tales como la espera de finalización de un proceso hijo, una señal, una operación sobre un semáforo o una operación de lectura/escritura.

La transición de activo a preparado y viceversa depende de decisiones tomadas por el planificador del sistema operativo (que emplea algún criterio visto en clases teóricas, tales como el turno rotatorio), el programador no puede interferir en estas decisiones. Mientras que la transición de activo a bloqueado, y de bloqueado a preparado pueden ser controladas por el programador mediante llamadas al sistema.

Semáforos

Los semáforos son un mecanismo de sincronización de procesos inventados por Edsger Dijkstra en 1965. Los semáforos permiten al programador asistir al planificador del sistema operativo en su toma de decisiones de manera que permiten sincronizar la ejecución de dos o más procesos. A diferencia de los cerrojos, los semáforos nos ofrecen un mecanismo de espera no ocupada.

Los semáforos son un tipo de datos que están compuestos por dos atributos:

• Un contador, que siempre vale >= 0.
• Una lista de procesos, inicialmente vacía.

Y disponen de dos operaciones básicas que pasamos a describir en pseudocódigo:

down(semáforo s)
{
       si s.contador == 0:
              añade proceso a s.lista
              proceso a estado bloqueado
       sino:
              s.contador--
}

Nótese que siempre que queramos forzar una transición de un proceso a estado bloqueado, tenemos que hacer que dicho proceso realice una operación down sobre un semáforo cuyo contador vale cero.

up(semáforo s)
{
       si hay procesos en s.lista
              retira proceso de s.lista
              proceso a estado preparado
       sino:
              s.contador++
}

Nótese que una operación up sobre un semáforo en el que hay procesos en su lista resulta en que se retire uno de los procesos (el que más tiempo lleva en la lista), realizando éste la transición a estado preparado. Es un error frecuente pensar que una operación up resulte en que el proceso retirado de la lista pase a estado activo. Recuerde que las transiciones de estado activo a preparado y viceversa son siempre controladas por el planificador del sistema operativo.

Además, se disponen de un constructor y un destructor que permiten la creación y la liberación de un semáforo.

Suponga el siguiente ejemplo en el que se quieren sincronizar dos hilos de un proceso, de manera que se dé la siguiente secuencia de ejecución: A, B, A, B, ... y así sucesivamente. El siguiente código resolvería el problema:

semaforo a = semaforo.create(1);
semaforo b = semaforo.create(0);

/* código del hilo A */
while (1) {
       a.down();
       printf("hilo A\n");
       b.up();
}

/* código del hilo B */
while (1) {
       b.down();
       printf("hilo B\n");
       a.up();
}

Tipos de semáforos

Dependiendo del valor del contador, vamos a diferenciar los siguientes tipos de semáforos:

• Semáforo de exclusión mutua, inicialmente su contador vale 1 y permite que haya un único proceso simultáneamente dentro de la sección crítica.
• Semáforo contador, permiten llevar la cuenta del número de unidades de recurso compartido disponible, puede vale inicialmente de 0 a N.
• Semáforo de espera, inicialmente su contador vale 0 y generalmente se emplea para forzar que un proceso pase a estado bloqueado hasta que se cumpla la condición que le permite ejecutarse.

La principal ventaja de los semáforos frente a los cerrojos es que permiten sincronizar dos o más procesos de manera que no se desperdician recursos de CPU realizando comprobaciones continuadas de la condición que permite progresar al proceso.

Los inconvenientes asociados al uso de semáforos son los siguientes:

• Los programadores tienden a usarlos incorrectamente, de manera que no resuelven de manera adecuada el problema de concurrencia o dan lugar a interbloqueos.
• No hay nada que obligue a los programadores a usarlos.
• Los compiladores no ofrecen ningún mecanismo de comprobación sobre el correcto uso de los semáforos.
• Son independientes del recurso compartido al que se asocian.

Debido a estos inconvenientes, se desarrollaron los monitores.