Es posible clasificar las interacciones de los procesos en función del nivel de conocimiento que cada proceso tiene de la existencia de los demás:
• Los procesos no tienen conocimiento de los demás: Estos son procesos independientes que no están pensados para operar juntos.
• Los procesos tienen un conocimiento indirecto de los otros: Los procesos no conocen necesariamente a los otros, pero comparten el acceso a algunos objetos.
• Los procesos tienen un conocimiento directo de los otros: Los procesos son capaces de comunicarse con los demás y están diseñados para trabajar conjuntamente en alguna actividad.
Competencia entre procesos por los recurso
Los procesos concurrentes entran en conflicto cuando compiten por el uso del mismo recurso, es decir, quieren acceder a un recurso al mismo tiempo. Y la ejecución de un proceso puede influir en el comportamiento de los procesos que compiten y el sistema operativo le asignará el recurso a uno de ellos y el otro tendrá que esperar. Por lo que el proceso que quede esperando, se retrazará, se bloqueara y en el peor de los casos nunca se terminará con exito
Es en estos procesos concurrentes, donde, se plantean una serie de situaciones clásicas de comunicación y sincronización, entre ellos el problema de la sección crítica.
El problema de la sección crítica es uno de los problemas que con mayor frecuencia aparece cuando se ejecutan procesos concurrentes.
Para entender un poco mejor el concepto se presenta el siguiente ejemplo: Se tiene un Sistema Operativo que debe asignar un identificador de proceso (PID) a dos procesos en un sistema multiprocesador. Cuando el SO realiza esta acción en dos procesadores de forma simultánea sin ningún tipo de control, se pueden producir errores, ya que se puede asignar el mismo PID a dos procesos distintos. Este problema se debe a que constituyen una sección crítica que debe ejecutarse en forma atómica, es decir, de forma completa e indivisible y ningún otro proceso podrá ejecutar dicho código mientras el primero no haya acabado su sección.
Solución a la sección crítica
Para resolver el problema de la sección crítica es necesario utilizar algún mecanismo de sincronización que permita a los procesos cooperar entre ellos sin problemas. Este mecanismo debe proteger el código de la sección critica y su funcionamiento básico es el siguiente:
• Cada proceso debe solicitar permiso para entrar en la sección crítica, mediante algún fragmento de código que se denomina de forma genérica entrada en la sección crítica.
• Cuando un proceso sale de la sección critica debe indicarlo mediante otro fragmento de código que se denomina salida de la sección crítica. Este fragmento permitirá que otros procesos entren a ejecutar el código de la sección crítica.
Cualquier solución que se utilice para resolver este problema debe cumplir los tres requisitos siguientes:
• Exclusión mutua: Si un proceso está ejecutando código de la sección crítica, ningún otro proceso lo podrá hacer.
• Progreso: Si ningún proceso está ejecutando dentro de la sección crítica, la decisión de qué proceso entra en la sección se hará sobre los procesos que desean entrar.
• Espera acotada: Debe haber un límite en el número de veces que se permite que los demás procesos entren a ejecutar código de la sección crítica después de que un proceso haya efectuado una solicitud de entrada y antes de que se conceda la suya.
Exclusión mutua
La exlcusión mutua la podríamos definir como una operación de control que permite la coordinación de procesos concurrentes, y que tiene la capacidad de prohibir a los demás procesos realizar una acción cuando un proceso haya obtenido el permiso.
El control de la competencia involucra al sistema operativo inevitablemente, porque es el sistema operativo el que asigna los recursos. Además, los procesos deben ser capaces por sí mismos de expresar de algún modo los requisitos de exclusión mutua, como puede ser bloqueando los recursos antes de usarlos.
Hacer que se cumpla la exclusión mutua crea dos problemas de control adicionales.
• Interbloqueo. Si se tienen dos procesos P1 y P2 y dos recursos críticos, R1 y R2. Supóngase que cada proceso necesita acceder a ambos recursos para llevar a cabo una parte de su función. En tal caso, es posible que se presente la siguiente situación: el sistema operativo asigna R1 a P2 y R2 a P1. Cada proceso está esperando a uno de los dos recursos. Ninguno liberará el recurso que ya posee hasta que adquiera el otro y ejecute su sección crítica. Ambos procesos están ínterbloqueados.
• Inanición. Supóngase que tres procesos, P1, P2 y P3, necesitan acceder periódicamente al recurso R. Considérese la situación en la que P1 está en posesión del recurso y tanto P2 como P3 están parados, esperando al recurso. Cuando P1 abandona su sección crítica, tanto P2 como P3 deben poder acceder a R. Supóngase que se le concede el acceso a P3 y que, antes de que termine su sección crítica, P1 solicita acceso de nuevo. Si se le concede el acceso a P1 después de que P3 termine y si P1 y P3 se conceden el acceso repetidamente el uno al otro, se puede negar definidamente a P2 el acceso al recurso.
Requisitos para la exclusión mutua.
El uso adecuado de la concurrencia entre procesos exige la capacidad de definir secciones críticas y hacer cumplir la exclusión mutua. Esto es fundamental para cualquier esquema de proceso concurrente. Cualquier servicio o capacidad que dé soporte para la exclusión mutua debe cumplir los requisitos siguientes:
1. Debe cumplirse la exclusión mutua: Solo un proceso, de entre todos los que poseen secciones críticas por el mismo recurso u objeto compartido, debe tener permiso para entrar en ella en un instante dado.
2. Un proceso que se interrumpe en una sección no crítica debe hacerlo sin estorbar a los otros procesos.
3. Un proceso no debe poder solicitar acceso a una sección crítica para después ser demorado indefinidamente; no puede permitirse el interbloqueo o la inanición.
4. Cuando ningún proceso está en su sección crítica, cualquier proceso que solicite entrar en la suya debe poder hacerlo sin dilación.
5. No se pueden hacer suposiciones sobre la velocidad relativa de los procesos o su número.
6. Un proceso permanece en su sección crítica solo por un tiempo finito.
Soluciones a la exclusión mutua
Hay varias formas de satisfacer los requisitos de exclusión mutua:
Soluciones por Software. Una manera es dejar la responsabilidad a los procesos que deseen ejecutar concurrentemente, de esta manera los procesos deben coordinarse unos con otros para cumplir la exclusión mutua sin ayuda alguna, aunque estas soluciones son propensas a errores y a una fuerte carga de proceso (Algunos ejemplos de estas son: Algoritmo de Dekker y Algoritmo de Peterson).
Soluciones por Hardware. Propone el uso de instrucciones de la máquina a tal efecto, estas tienen la ventaja de reducir la sobrecarga.
El tercer método consiste en dar algún tipo de soporte en el sistema operativo, entre estos métodos se encuentran los semaforos, monitores, paso de mensajes, etc.
