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7.1 Sistemi Operativi Deadlock Modello del sistema Caratterizzazione dei deadlock Metodi per la gestione dei deadlock Prevenire i deadlock Evitare i deadlock.

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1 7.1 Sistemi Operativi Deadlock Modello del sistema Caratterizzazione dei deadlock Metodi per la gestione dei deadlock Prevenire i deadlock Evitare i deadlock Rilevamento dei deadlock Ripristino da situazioni di deadlock Approccio combinato alla gestione dei deadlock

2 7.2 Sistemi Operativi Il problema del deadlock Un insieme di processi bloccati: ciascun processo possiede una risorsa, ed attende di acquisire una risorsa posseduta da un altro processo dellinsieme. Esempio –Il sistema ha 2 lettori di nastri. –P 1 e P 2 posseggono ciascuno un lettore, e ciascuno ha bisogno di quello posseduto dallaltro processo. Esempio –semafori A e B, inizializzati a 1 P 0 P 1 wait (A);wait(B) wait (B);wait(A)

3 7.3 Sistemi Operativi Esempio: attraversamento di un ponte Sul ponte possono transitare autoveicoli solo in una direzione alla volta. Ciascuna sezione del ponte può essere vista come una risorsa. Se si verifica un deadlock, può essere risolto se unauto torna indietro (rilascia la risorsa). Può essere necessario che più auto debbano tornare indietro in caso di deadlock. E possibile la starvation (attesa indefinita).

4 7.4 Sistemi Operativi Modello di sistema Tipi di risorse R 1, R 2,..., R m Cicli di CPU, spazio di memoria, dispositivi di I/O Ciascun tipo di risorsa R i ha W i istanze. Ciascun processo impiega una risorsa in uno dei seguenti modi: –richiesta –uso –rilascio

5 7.5 Sistemi Operativi Caratterizzazione dei deadlock Mutua esclusione: un solo processo alla volta può usare una risorsa. Possesso ed attesa: un processo che possiede almeno una risorsa, attende di acquisire ulteriori risorse possedute da altri processi. Impossibilità di prelazione: una risorsa può essere rilasciata dal processo che la possiede solo volontariamente, al termine del suo compito. Attesa circolare: esiste un insieme {P 0, P 1, …, P n } di processi in attesa, tali che P 0 è in attesa per una risorsa che è posseduta da P 1, P 1 è in attesa per una risorsa che è posseduta da P 2, …, P n–1 è in attesa per una risorsa che è posseduta da P n, e P n è in attesa per una risorsa che è posseduta da P 0. Un deadlock può avvenire se e solo se sono verificate le seguenti quattro condizioni contemporaneamente.

6 7.6 Sistemi Operativi Grafo di allocazione delle risorse V è partizionato in due tipi : –P = {P 1, P 2, …, P n }, è linsieme costituito da tutti i processi nel sistema. –R = {R 1, R 2, …, R m }, è linsieme costituito da tutti i tipi di risorse nel sistema. Arco di richiesta (arco orientato) P 1 R j Arco di assegnamento (arco orientato) R j P i Un grafo è un insieme di vertici (o nodi) V e un insieme di archi E.

7 7.7 Sistemi Operativi Grafo di allocazione delle risorse Processo Tipo di risorsa con 4 istanze P i richiede unistanza di R j P i possiede una risorsa di R j PiPi PiPi RjRj RjRj

8 7.8 Sistemi Operativi Grafi di allocazione con e senza deadlock

9 7.9 Sistemi Operativi Grafo di allocazione delle risorse Se il grafo non contiene cicli no ci sono deadlock. Se il grafo contiene un ciclo –se si ha una sola istanza per ogni tipo di risorsa, allora si ha un deadlock. –se si hanno più istanze per tipo di risorsa, allora il deadlock è possibile.

10 7.10 Sistemi Operativi Metodi per la gestione dei deadlock Assicurare che il sistema non entri mai in uno stato di deadlock. –1) Prevenzione dei deadlock: rimuovere dal sistema ogni possibilità che ci sia un deadlock => basso utilizzo risorse. –2) Evitare i deadlock: ci sono le condizioni perché intervenga un deadlock, ma si evita di entrarci effettivamente. Permettere al sistema di entrare in uno stato di deadlock, ma poi risolvere questo problema (ripristinare il sistema). –3) Determinare la presenza di un deadlock. –4) Ripristinare il sistema da un deadlock. Ignorare il problema e fingere che i deadlock non avvengano mai nel sistema; impiegato dalla maggioranza dei sistemi operativi, incluso UNIX.

11 7.11 Sistemi Operativi Prevenzione dei deadlock Mutua Esclusione – non è richiesta per risorse che possono essere condivise; deve valere per risorse che non possono essere condivise. Possesso e attesa – si deve garantire che quando un processo richiede una risorsa, questo non possieda altre risorse. –Richiedere ad un processo di stabilire ed allocare tutte le sue risorse prima che inizi lesecuzione, o consentire ad un processo di richiedere risorse solo quando il processo non ne possiede alcuna. –Si ha un basso impiego delle risorse. E possibile che si verifichi lattesa indefinita. Limitare i modi in cui possono essere fatte delle richieste.

12 7.12 Sistemi Operativi Prevenzione dei deadlock Impossibilità di prelazione –Se un processo che possiede alcune risorse richiede unaltra risorsa che non gli può essere allocata immmediatamente, allora rilascia tutte le risorse possedute. –Le risorse rilasciate (prelazionate dal processo stesso) sono aggiunte alla lista delle risorse che il processo sta attendendo. –Il processo viene avviato nuovamente solo quando può ottenere le sue vecchie e nuove risorse. Attesa circolare – si impone un ordinamento totale di tutti i tipi di risorsa e si pretende che ciascun processo richieda le risorse con un ordine di numerazione crescente.

13 7.13 Sistemi Operativi Evitare i deadlock Il modello più semplice e utile richiede che ciascun processo dichiari il numero massimo di risorse di ciascun tipo di cui può avere bisogno. Lalgoritmo per evitare i deadlock esamina dinamicamente lo stato di allocazione delle risorse per assicurare che non ci possa mai essere una condizione di attesa circolare. Lo stato di allocazione delle risorse è definito dal numero di risorse disponibili ed allocate, e dal massimo numero di richieste dei processi. Richiede che il sistema possegga alcune informazioni addizionali a priori.

14 7.14 Sistemi Operativi Stato sicuro Quando un processo richiede una risorsa disponibile, il sistema deve decidere se lallocazione immediata porti il sistema in uno stato sicuro. Il sistema è in uno stato sicuro se esiste una sequenza sicura di esecuzione di tutti i processi. La sequenza è sicura se per ogni P i, le risorse che P i può ancora richiedere possono essere soddisfatte dalle risorse correntemente disponibili + risorse possedute da tutti i P j, con j

15 7.15 Sistemi Operativi Stato sicuro Se un sistema è in uno stato sicuro non si evolve verso il deadlock. Se un sistema è in uno stato non sicuro possibilità di un deadlock. Avoidance assicura che un sistema non entri mai in uno stato non sicuro.

16 7.16 Sistemi Operativi Algoritmo con grafo di allocazione delle risorse Un arco di reclamo P i R j indica che il processo P j può richiedere la risorsa R j ; rappresentata da una linea tratteggiata. Un arco di reclamo viene convertito in un arco di richiesta quando un processo richiede una risorsa. Quando una risorsa viene rilasciata da un processo larco di assegnamento viene riconvertito in un arco di reclamo. Le risorse devono venir reclamate a priori nel sistema. Prima che il processo P i inizi lesecuzione, tutti i suoi archi di reclamo devono essere già inseriti nel grafo di allocazione risorse.

17 7.17 Sistemi Operativi Grafo di allocazione risorse per evitare deadlock e stato non sicuro in un grafo di allocazione risorse

18 7.18 Sistemi Operativi Algoritmo del banchiere Permette di gestire istanze multiple di una risorsa (a differenza del grafo di allocazione delle risorse). Ciascun processo deve dichiarare a priori il massimo impiego di risorse. Quando un processo richiede una risorsa può aver bisogno di attendere. Quando un processo prende tutte le sue risorse deve restituirle in un tempo finito.

19 7.19 Sistemi Operativi Strutture dati per lalgoritmo del banchiere Available: Vettore di lunghezza m. Se Available[j] = k, ci sono k istanze disponibili del tipo di risorsa R j. Max: matrice n x m. Se Max [i,j] = k, allora il processo P i può richiedere al più k istanze del tipo di risorsa R j. Allocation: matrice n x m. Se Allocation[i,j] = k allora a P i sono allocate correntemente k istanze di R j. Need: matrice n x m. Se Need[i,j] = k, allora P i può richiedere k ulteriori istanze di R j per completare il suo task. Need [i,j] = Max[i,j] – Allocation [i,j]. Sia n = numero di processi, e m = numero di tipi di risorse.

20 7.20 Sistemi Operativi Algoritmo di verifica della sicurezza 1.Siano Work e Finish due vettori di lunghezza m e n, rispettivamente. Si inizializzi: Work := Available Finish [i] = false per i = 1,2, …, n. 2.Cerca un i tale che valgano contemporaneamente le seguenti relazioni: (a) Finish [i] = false (b) Need i Work Se non esiste un tale i, andare al passo 4. 3.Work := Work + Allocation i Finish[i] := true andare al passo 2. 4.Se Finish [i] = true per tutti gli i, allora il sistema è in uno stato sicuro.

21 7.21 Sistemi Operativi Algoritmo di richiesta delle risorse per processo P i Sia Request i il vettore delle richieste per il processo P i. Se Request i [j] = k allora il processo P i vuole k istanze del tipo di risorsa R j. 1.Se Request i Need i vai al passo 2. Altrimenti, riporta una condizione di errore, dato che il processo ha ecceduto il massimo numero di richieste. 2.Se Request i Available, vai al passo 3. Altrimenti P i deve attendere, dato che le risorse non sono disponibili. 3.Il sistema simula lallocazione al processo P i modificando lo stato di allocazione delle risorse: Available := Available – Request i ; Allocation i := Allocation i + Request i ; Need i := Need i – Request i;; Se stato sicuro le risorse sono allocate a P i. Se stato non sicuro P i deve attendere, e viene ripristinato il vecchio stato di allocazione delle risorse.

22 7.22 Sistemi Operativi Esempio 5 processi da P 0 a P 4 ; 3 tipi di risorse A (10 istanze), B (5 istanze), e C (7 istanze). Fotografia al tempo T 0 : AllocationMaxAvailable A B CA B C A B C P P P P P

23 7.23 Sistemi Operativi Esempio Il contenuto della matrice Need è definito come Max – Allocation. Need A B C P P P P P Il sistema è in uno stato sicuro dato che la sequenza soddisfa i criteri di sicurezza.

24 7.24 Sistemi Operativi Esempio: P 1 richiede (1,0,2) Verificare che Request i Available (cioè, (1,0,2) (3,3,2) vero). AllocationNeedAvailable A B CA B CA B C P P P P P Lesecuzione dellalgoritmo di sicurezza mostra che la sequenza soddisfa i requisiti di sicurezza. Può essere soddisfatta la richiesta di P 4 per (3,3,0)? Può essere soddisfatta la richiesta di P 4 per (0,2,0)?

25 7.25 Sistemi Operativi Rilevamento dei deadlock Si permette al sistema di entrare in uno stato di deadlock Sono necessari –Algoritmo di rilevamento –Schema di recupero

26 7.26 Sistemi Operativi Istanza singola di ciascun tipo di risorsa Impiega un grafo di attesa –I nodi sono processi. –P i P j se P i è in attesa che P j rilasci una risorsa che gli occorre. Periodicamente viene richiamato un algoritmo che ricerca un ciclo nel grafo. Un algoritmo per trovare un ciclo in un grafo richiede un numero di operazioni dellordine di n 2, dove n è il numero di vertici del grafo.

27 7.27 Sistemi Operativi Grafo di allocazione risorse e grafo di attesa Grafo di allocazione delle risorseCorrispondente grafo di attesa

28 7.28 Sistemi Operativi Più istanze di ciascun tipo di risorsa Available: vettore di lunghezza m, indica il numero di risorse disponibili di ciascun tipo. Allocation: matrice n x m, definisce il numero di risorse di ciascun tipo correntemente allocate a ciascun processo. Request: matrice n x m, indica la richiesta corrente di ciascun processo. Se Request [i,j] = k, allora il processo P i richiede k istanze supplementari della risorsa R j.

29 7.29 Sistemi Operativi Algoritmo di rilevamento 1.Siano Work e Finish due vettori di lunghezza m e n, rispettivamente Inizializzazione: (a) Work := Available (b)Per i = 1,2, …, n, se Allocation i 0, allora Finish[i] := false; altrimenti, Finish[i] := true. 2.Si trovi un indice i tale che valgano entrambe le condizioni: (a)Finish[i] = false (b)Request i Work. Se non esiste un tale i vai al passo 4.

30 7.30 Sistemi Operativi Algoritmo di rilevamento 3.Work := Work + Allocation i Finish[i] := true vai al passo 2. 4.Se Finish[i] = false, per qualche i, 1 i n, allora il sistema è in uno stato di deadlock. Inoltre, se Finish[i] = false, allora P i è in deadlock. Lalgoritmo richiede un numero di operazioni dellordine di m x n 2 per determinare se il sistema è in uno stato di deadlock.

31 7.31 Sistemi Operativi Esempio di algoritmo di rilevamento Cinque processi, da P 0 a P 4 ; tre tipi di risorse A (7 istanze), B (2 istanze), e C (6 istanze). Stato al tempo T 0 : AllocationRequestAvailable A B C A B C A B C P P P P P La sequenza porta a Finish[i] = true per tutti gli i.

32 7.32 Sistemi Operativi Esempio P 2 richiede unistanza supplementare della risorsa C. Request A B C P P P P P Stato del sistema? –Può reclamare risorse possedute dal processo P 0, ma il numero di risorse disponibili non è sufficiente a soddisfare gli altri processi deadlock: processi P 1, P 2, P 3, e P 4.

33 7.33 Sistemi Operativi Impiego dellalgoritmo di rilevamento Quando e quanto spesso chiamare lalgoritmo di rilevamento dipende da: –Frequenza (presunta) con la quale si verifica un deadlock –Numero di processi che vengono eventualmente influenzati da tale deadlock Se lalgoritmo viene richiamato in momenti arbitrari ci possono essere vari cicli nel grafo delle risorse e quindi non si può dire quale dei processi coinvolti nel ciclo abbia causato il deadlock. Unalternativa è quella di richiamare lalgoritmo ogni volta che una richiesta non può essere soddisfatta immediatamente. Questo approccio può essere dispendioso.

34 7.34 Sistemi Operativi Ripristino dai deadlock: Terminazione di processi Terminazione in abort di tutti i processi in deadlock. Terminare un processo alla volta fino alleliminazione del ciclo di deadlock. In quale ordine si decide di terminare i processi? –La priorità del processo. –Il tempo di computazione trascorso e il tempo ancora necessario al suo completamento. –Quantità e tipo di risorse impiegate. –Risorse di cui ha ancora bisogno per terminare lesecuzione. –Numero di processi che devono essere terminati. –Tipo di processo: interattivo o batch?

35 7.35 Sistemi Operativi Prelazione di risorse Selezione di una vittima – È necessario stabilire lordine di prelazione per minimizzare i costi. Rollback – Un processo a cui sia stata prelazionata una risorsa deve ritornare ad uno stato sicuro, da cui ripartire. Starvation – Alcuni processi possono essere sempre vittime della prelazione. Si può includere il numero di rollback nel fattore di costo.

36 7.36 Sistemi Operativi Approccio combinato Si combinano i tre approcci di base –prevenzione –evitare i deadlock –rilevazione permettendo luso dellapproccio ottimale per ciascuna risorsa del sistema. Si suddividono le risorse in classi gerarchicamente ordinate. Si impiegano le tecniche più appropriate per gestire i deadlock in ciascuna classe.


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