Introducción - Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos

Programación Concurrente. 3º Ingeniería Técnica de Sistemas yGestión.Dpto. Lenguajes y Sistemas Informáticos. ETSI InformáticaTema 1. Introducción.Relación de problemas1. Considerar el siguiente fragmento de programa para 2 procesos A y B:proceso A: for seqA:= 1 to 10 do x:=x+1;proceso B: for seqB:= 1 to 10 do x:=x+1;Suponer que la variable x está inicializada a 0, que ambos procesos A y B se ejecutan unavez y que seqA y seqB no son variables compartidas. Los dos procesos pueden ejecutarsea cualquier velocidad. ¿Cuáles son los posibles valores resultantes para x?. Suponer que xdebe ser cargada en un registro para incrementarse.2. ¿Cómo se podría hacer la copia del fichero "f" en otro "g", de forma concurrente,utilizando la instrucción concurrente COBEGIN-COEND?.3. Construir, utilizando las instrucciones concurrentes COBEGIN-COEND y fork-join,programas concurrentes que se correspondan con los grafos de precedencia que semuestran a continuación:P0P0P0P1 P2P1P2P1P2P3P4P3P3 P5 P6P4 P5P4P5P6P6a) b) c)4. Dado el siguiente fragmento de programa concurrente, obtener su grafo de precedenciaasociado:P0;COBEGINP1;P2;COBEGINP3;P4;P5;P6;COENDP7;COENDP8;

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 25. Suponer un sistema de tiempo real que dispone de un captador de impulsosconectado a un contador de energía eléctrica. La función del sistema consiste en contar elnúmero de impulsos producidos en 1 hora (cada Kwh consumido se cuenta como unimpulso) e imprimir este número en un dispositivo de salida. Para ello se ha de escribirun programa concurrente con 2 procesos: un proceso acumulador (lleva la cuenta de losimpulsos recibidos) y un proceso escritor (escribe en la impresora). En la variable comúna los 2 procesos "n" se lleva la cuenta de los impulsos. Suponiendo que el sistema seencuentra en un estado correspondiente al valor de la variable n=N y en estascondiciones se presentan simultáneamente un nuevo impulso y el final del periodo de 1hora, obtener las posibles secuencias de ejecución de los procesos y cuáles de ellas soncorrectas.6. La inhibición de las interrupciones no funciona correctamente cuando hay seccionescríticas anidadas. Escribir 2 rutinas: ProtocoloEntrada (conecta las interrupciones) yProtocoloSalida (las desconecta) para resolver el problema.7. En vez de la instrucción TestAndSet, algunos ordenadores proveen de una instrucciónatómica que incrementa en 1 el valor de Lock:FUNCTION {ATOMICA} TestAndInc(VAR Lock:INTEGER):INTEGER;BEGINTestAndInc:=Lock; Lock:=Lock+1END;Escribir protocolos (uno de entrada y otro de salida) para una sección crítica utilizandodicha instrucción.8. Suponer que el siguiente algoritmo (inserción directa):PROCEDURE sort(inferior,superior:INTEGER);VAR i,j: INTEGER;BEGINFOR i := inferior TO superior-1 DOFOR j := i+1 TO superior DOIF a[j] < a[i] THEN swap(a[i], a[j]);END;quisiese ser utilizado en un programa paralelo de la forma siguiente:COBEGIN sort(1,n);sort(n+1,2n) COEND;merge(1,n+1,2n);a) Si el tiempo de ejecución secuencial del algoritmo es t(n)=n(n-1)/2 (≈ n 2 /2); ¿Cuálsería el tiempo de ejecución del programa paralelo si la mezcla lleva en realizarse noperaciones?b) Compruébese con una tabla que el número de operaciones del algoritmo paraleloes significativamente menor.c) Escribir un procedimiento de mezcla que permitiese paralelizar las 3 operaciones:COBEGIN sort(1,n);sort(n+1,2n);merge(1,n+1,2n) COEND;9. Escribir un programa concurrente para multiplicar matrices 3x3 con 3 procesosconcurrentes. (Nota: suponer que los elementos de las matrices se pueden leersimultáneamente).10. Con el grafo de sincronización de la figura, escribir 2 protocolos:

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 3EsperarPor (A:actividad) {espera que acabe la actividad A}Acabar (A:actividad) {hace constar, actividad A acabada}A B CD E FG H Ique permitan la sincronización perfecta de las actividades del grafo. Prever que el grafo deactividades puede ser ejecutado más de una vez.11. ¿Qué significa un ciclo en un grafo de sincronización?Tema 2. Exclusión Mutua.12. ¿Qué diferencia fundamental existe entre un bucle de espera activa y una variableinterruptor que da turnos para la sincronización de los procesos?13. ¿Utiliza espera ocupada el Algoritmo de Dekker, si el segundo proceso está en susección, Turno= 1 y el proceso 1 está intentando entrar en su sección?14. Demostrar que el A. de Dekker hace posible que un proceso espere indefinidamente("inanición") a entrar en su sección Crítica, con la suposición de que siempre que unproceso entra en la sección Crítica eventualmente la abandonará.15. Generalizar el A. de Dekker para 3 procesos.16. ¿Podría pensarse que una posible solución al problema de la exclusión mutua, Sería elsiguiente algoritmo que no necesita compartir una variable "Turno" entre los 2 procesos?a) ¿Se satisface la exclusión mutua?b) ¿Se satisfacen las propiedades de vivacidad?Compararlo con el Algoritmo de Dekker. Imaginar escenarios que demuestren lascontestaciones.Proceso ici=0;while cj=0 dobeginci:=1;while cj=0 do;ci=0;end;(*Seccion Critica*)ci:=1;17. ¿No se podría construir una solución más simple al problema de la exclusión mutua queel Algoritmo de Dekker utilizando la instrucción atómica TestAndSet(l)? ¿Cuál Sería dichasolución?.

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 418. ¿Qué ocurriría si el A. de Dekker se hubiera programado así?Proceso Pi;BEGINREPEATTurno:=i;WHILE Turnoi DO ;(*Seccion Critica*)Turno:=j;FOREVEREND;19. Al siguiente algoritmo se le conoce como solución de Hyman al problema de la exclusiónmutua. ¿Es correcta dicha solución?Proceso i (* inicialmente: c1,c2

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 5procesos. Discutir la corrección de esta solución: si es correcta, entonces probarlo. Si nofuese correcta, escribir escenarios que demuestren que la solución es incorrecta.PROGRAM intento; (Inicialmente c1,c2

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 6b) ¿Qué ocurriría si la instrucción primitiva EX fuese reemplazada por las 3 asignacionesanteriores?PROGRAM Intercambio; | BEGINVAR c:INTEGER; | c:=1;PROCEDURE P1; PROCEDURE P2; | COBEGINVAR l:INTEGER; VAR l:INTEGER; | P1;P2BEGIN BEGIN | COENDl:=0; l:=0; | END.REPEATREPEATREM1;REM2;REPEATREPEATEX(c,l);EX(c,l);UNTIL l=1;UNTIL l=1;CRIT1;CRIT2;EX(c,l);EX(c,l);FOREVER;FOREVER; END;END;END;

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 724. Considerar el siguiente algoritmo de exclusión mutua para n procesos (algoritmo deKnuth):Proceso(i)c: ARRAY[0..n] OF (pasivo, solicitando, enS_C);c:= pasivo;Turno:= 0;. . .REPEATc[i]:= solicitando;j:= Turno;WHILE ji DOIF c[j]pasivo THEN j:=TurnoELSE j:=(j-1) MOD n ;c[i]:= en_SC;k:= 0;WHILE k= n;Turno:= i;(* SECCION CRITICA *)Turno:= (i-1) MOD n ;c[i]:= pasivo;Escribir un escenario en el que 2 procesos consiguen pasar el bucle de la instrucción (7),suponiendo que el turno lo tiene inicialmente el proceso P(0).25. Demostrar que en la generalización del algoritmo de Peterson para "n" procesos :REPEATFOR j:= 1 TO n-1 DOBEGINq[i]:=j;turno[j]:=i;WHILE (∃ki: q[k]>=j) AND (turno[j]=i) DO;END;.....SECCION CRITICA........q[i]:=0;UNTIL FALSE;cuando un proceso pasa a la etapa siguiente, se verifica una de estas dos condiciones:a) precede a todos los demásb) no estaba solo en la etapa que ha dejado

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 8Tema 3. Monitores.26. Aunque un monitor garantiza la exclusión mútua, los procedimientos tienen que serre-entrantes. Explicar porqué.27. Demostrar que incluso si la implementación del semáforo es FIFO, la simulación delmonitor con semáforos no lo es.28. Se consideran dos recursos denominados r1 y r2. Del recurso r1 existen N1 ejemplaresy del recurso r2 existen N2 ejemplares. Escribir un monitor que gestione la asignación delos recursos a los procesos de usuario, suponiendo que cada proceso puede pedir:• ⋅un ejemplar del recurso r1• ⋅un ejemplar del recurso r2• ⋅un ejemplar del recurso r1 y otro del recurso r2La solución deberá satisfacer estas dos condiciones:• Un recurso no será asignado a un proceso que demande un ejemplar de r1 o unejemplar de r2 hasta que al menos un ejemplar de dicho recurso quede libre• Se dará prioridad a los procesos que demanden un ejemplar de ambos recursos29. Escribir una solución al problema de "lectores-escritores" con monitores:a) Con prioridad a los lectores.b) Con prioridad a los escritores:c) Con prioridades iguales30. Coches que vienen del norte y del sur pretenden cruzar un puente sobre un río. Sóloexiste un carril sobre dicho puente. Por lo tanto, en un momento dado, sólo puede sercruzado por uno o más coches en la misma dirección (pero no en direcciones opuestas).a) Completar el código del siguiente monitor queresuelve el problema del acceso al puentesuponiendo que llega un coche del norte (sur) ycruza el puente si no hay otro coche del sur (norte)cruzando el puente en ese momento.b) Mejorar el monitor anterior, de forma que ladirección del trafico a través del puente cambiecada vez que lo hayan cruzado 10 coches en unadirección, mientras 1 ó más coches estuviesenesperando cruzar el puente en dirección opuesta.MONITORGestionaTraficoVAR ................PROCEDIMIENTO EntrarCocheDelNorte...................PROCEDIMIENTO SalirCocheDelNorte....................PROCEDIMIENTO EntrarCocheDelSur.....................

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 9PROCEDIMIENTO SalirCocheDelSurInicialización.......................31. Una tribu de antropófagos comparte una olla en la que caben M misioneros. Cuandoalgún salvaje quiere comer, se sirve directamente de la olla, a no ser que ésta esté vacía.Si la olla está vacía, el salvaje despertará al cocinero y esperará a que éste hayarellenado la olla con otros M misioneros.Proceso salvajeProceso cocineroRepetir RepetirServirse_1_misionero; Dormir;Comer; Rellenar_olla;Siempre; Siempre;Implementar un monitor para la sincronización requerida, teniendo en cuenta que:• la solución no debe producir interbloqueo,• los salvajes podrán comer siempre que haya comida en la olla,• solamente se despertará al cocinero cuando la olla esté vacía.32. Una cuenta de ahorros es compartida por varias personas (procesos). Cada personapuede depositar o retirar fondos de la cuenta. El saldo actual de la cuenta es la suma detodos los depósitos menos la suma de todos los reintegros. El saldo nunca puede sernegativo.a) Programar un monitor para resolver el problema, todo proceso puede retirar fondosmientras la cantidad solicitada c sea menor o igual que el saldo disponible en la cuentaen ese momento. Si un proceso intenta retirar una cantidad c mayor que el saldo,debe quedar bloqueado hasta que el saldo se incremente lo suficiente (comoconsecuencia de que otros procesos depositen fondos en la cuenta) para que se puedaatender la petición. El monitor debe tener 2 procedimientos: depositar(c) y retirar(c).Suponer que los argumentos de las 2 operaciones son siempre positivos.b) Modificar la respuesta del apartado anterior, de tal forma que el reintegro de fondos alos clientes sea servido según un orden FIFO. Por ejemplo, suponer que el saldo es 200unidades y un cliente está esperando un reintegro de 300 unidades. Si llega otrocliente debe esperarse, incluso si quiere retirar 200 unidades. Suponer que existe unafunción denominada cantidad(cond) que devuelve el valor de la cantidad (parámetro cde los procedimientos retirar y depositar) que espera retirar el primer proceso que sebloqueó (tras ejecutar WAIT en la señal cond).33. Los procesos P 1 , P 2 ,...,P n comparten un único recurso R, pero sólo un proceso puedeutilizarlo cada vez. Un proceso P i puede comenzar a utilizar R si está libre; en casocontrario, el proceso debe esperar a que el recurso sea liberado por otro proceso. Si hayvarios procesos esperando a que quede libre R, se concederá al proceso que tenga mayorprioridad. La regla de prioridad de los procesos es la siguiente: el proceso P i tieneprioridad i (1

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 10de tipo A se bloquea.• Si un proceso de tipo B llama a la operación de sincronización, y no hay (al menos) 1proceso del tipo A y 9 procesos del tipo B (aparte de él mismo) bloqueados en laoperación de sincronización, entonces el proceso de tipo B se bloquea.• Si un proceso de tipo A llama a la operación de sincronización y hay (al menos) 10procesos bloqueados en dicha operación, entonces el proceso de tipo A no se bloqueay además deberán desbloquearse exactamente 10 procesos de tipo B.• Si un proceso de tipo B llama a la operación de sincronización y hay (al menos) 1 procesode tipo A y 9 procesos de tipo B bloqueados en dicha operación, entonces el procesode tipo B no se bloquea y además deberán desbloquearse exactamente 1 proceso deltipo A y 9 procesos del tipo B.• No se requiere que los procesos se desbloqueen en orden FIFO.

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 11Tema 4. Sistemas de Paso de Mensajes35. Considerar un conjunto de n procesos conectados en forma de anillo. Cada proceso tieneun valor local almacenado en su variable local mi_valor. Deseamos calcular la suma delos valores locales almacenados por los procesos de acuerdo con el algoritmo que seexpone a continuación. Los procesos realizan una serie de iteraciones para hacer circularsus valores locales por el anillo. En la primera iteración, cada proceso envía su valor localal siguiente proceso del anillo, al mismo tiempo que recibe del proceso anterior el valorlocal de éste. A continuación acumula la suma de su valor local y el recibido desde elproceso anterior. En las siguientes iteraciones, cada proceso envía al siguiente procesosiguiente el valor recibido en la anterior iteración, al mismo tiempo que recibe del procesoanterior un nuevo valor. Después acumula la suma. Tras un total de n-1 iteraciones, cadaproceso conocerá la suma de todos los valores locales de los procesos. Implementar estealgoritmo en MPI.mi_valor=0suma3= 00mi_valor=1suma =113suma = 3 suma = 120mi_valor=3suma =ITERACIÓN 3 12mi_valor=2suma = 2suma = 5 suma = 31ITERACIÓN 22suma = 5 suma = 4suma = 6 suma = 613suma = 6 suma = 30ITERACIÓN 2suma = 6 suma = 6RESULTADO

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 1236. Sean dos conjuntos de 4 procesos cada uno: P(i:1..4) y Q(i:1..4). Deseamos que cadaproceso P(j) envie una secuencia de valores enteros al proceso correspondiente Q(j). Enlugar de realizar esta comunicación directamente, la haremos a través de un procesomultiplexor y un proceso demultiplexor. Cuando un proceso P(j) quiere enviarle un valor asu Q(j) lo envía directamente al multiplexor, el cual enviará dicho valor junto con el índice(j) del proceso emisor al proceso demultiplexor. El proceso demultiplexor, enviará el valortransmitido al proceso Q(j) correspondiente, de acuerdo con el valor de índice recibido.Cuando todos los procesos P terminen, el multiplexor, el demultiplexor y los procesos Qterminarán.a) Implementar este sistema en MPI.b) Modificar el sistema implementado para que cada proceso P(j) reciba una señal deconfirmación cuando su proceso Q(j) reciba el valor enviado.

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 1337. En un sistema distribuido, 6 procesos clientes necesitan sincronizarse de formaespecífica para realizar cierta tarea, de forma que dicha tarea sólo podrá ser realizadacuando tres procesos estén preparados para realizarla. Para ello, envían peticiones a unproceso controlador del recurso y esperan respuesta para poder realizar la tareaespecífica.El proceso controlador se encarga de asegurar la sincronización adecuada. Para ello,recibe y cuenta las peticiones que le llegan de los procesos, las dos primeras no sonrespondidas y producen la suspensión del proceso que envía la petición (debido a que sebloquea esperando respuesta) pero la tercera petición produce el desbloqueo de los tresprocesos pendientes de respuesta. A continuación, una vez desbloqueados los tresprocesos que han pedido (al recibir respuesta), inicializa la cuenta y procede cíclicamentede la misma forma sobre otras peticiones.El código de los procesos clientes es el siguiente, asumiendo que se usan operacionesbloqueantes no buferizadas.Cliente(i) (i=0, ... , 5)While (true){ send (&peticion,Controlador);receive (&permiso, Controlador);Realiza_tarea_grupal ( ); }Escribir en pseudocódigo, dentro del espacio reservado abajo, el código del procesocontrolador, utilizando una orden de espera selectiva que permita implementar lasincronización requerida entre los procesos.While (true){...Controlador}

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 1438. En un sistema distribuido, 3 procesos productores producen continuamente valoresenteros y los envían a un proceso buffer que los almacena temporalmente en un arraylocal de 4 celdas enteras para ir enviándoselos a un proceso consumidor. A su vez, elproceso buffer realiza lo siguiente, sirviendo de forma equitativa al resto de procesos:a) Envía enteros al proceso consumidor siempre que su array local tenga al menos doselementos disponibles.b) Acepta envíos de los productores mientras el array no esté lleno, pero no acepta quecualquier productor pueda escribir dos veces consecutivas en el búfer.El código de los procesos productor y consumidor es el siguiente, asumiendo que se usanoperaciones bloqueantes no buferizadas.Prod_i (i=0, 1, 2){While (true){Produce (&dato)send(&dato,1,Buffer);}}Consumidor{While (true){receive(&dato,1,Buffer)Consume (dato);}}Escribir en pseudocódigo el código del proceso Buffer, utilizando una orden de esperaselectiva que permita implementar la sincronización requerida entre los procesos.Buffer

Programación Concurrente. I.T. Sistemas y Gestión. Relación de Problemas 1539. Suponer un proceso productor y 3 procesos consumidores que comparten un bufferacotado de tamaño B. Cada elemento depositado por el proceso productor debe serretirado por todos los 3 procesos consumidores para ser eliminado del buffer. Cadaconsumidor retirará los datos del buffer en el mismo orden en el que son depositados,aunque los diferentes consumidores pueden ir retirando los elementos a ritmo diferenteunos de otros. Por ejemplo, mientras un consumidor ha retirado los elementos 1, 2 y 3,otro consumidor puede haber retirado solamente el elemento 1. De esta forma, elconsumidor más rápido podría retirar hasta B elementos más que el consumidor máslento.Escribir el pseudocódigo de un proceso que implemente el buffer de acuerdo con elesquema de interacción descrito usando una construcción de espera selectiva, así comoel pseudocódigo del proceso productor y de los procesos consumidores . Comenzaridentificando qué información es necesario representar, para después resolver lascuestiones de sincronización. Una posible implementación del bufffer mantendría, paracada proceso consumidor, el puntero de salida y el número de elementos que quedanen el buffer por consumir (ver figura).40. Una tribu de 3 salvajes comparte una olla en la que caben M misioneros. Cuando algúnsalvaje quiere comer, se sirve directamente de la olla, a no ser que ésta esté vacía. Si la ollaestá vacía, el salvaje despertará al cocinero y esperará a que éste haya rellenado la olla conotros M misioneros.Proceso salvaje[i], i=0,1,2 Proceso cocinerowhile(true) While(true)Servirse_1_misionero; Dormir;Comer; Rellenar_olla;Implementar los procesos salvajes y cocinero usando paso de mensajes, usando un procesoolla que incluye una construcción de espera selectiva que sirve peticiones de los salvajes y elcocinero para mantener la sincronización requerida, teniendo en cuenta que:• la solución no debe producir interbloqueo,• los salvajes podrán comer siempre que haya comida en la olla,• solamente se despertará al cocinero cuando la olla esté vacía.