Semáforos no Windows e Linux

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ATIVIDADE ACADÊMICA: SISTEMAS OPERACIONAIS Módulo 4 - Semáforos Grupo: Rodrigo de Araújo Rosa e Viviane Becker Dias Data: 04/11/2012 SEMÁFOROS NO WINDOWS E LINUX 1.

INTRODUÇÃO

Em 1965, E. W. Dijkstra sugeriu usar uma variável inteira para contar o número de sinais de acordar salvos para uso futuro. De acordo com a proposta dele, foi introduzido um novo tipo de variável, chamado semáforo. Um semáforo poderia conter o valor 0 – indicando que nenhum sinal de acordar foi salvo – ou algum valor positivo se um ou mais sinais de acordar estivessem pendentes (TANENBAUM, 2010). Este trabalho tem por objetivo descrever exemplos teóricos e casos práticos do uso de semáforos em sistemas operacionais Linux e Windows, comparando as diferenças de funcionamento, parâmetros e definições de uso entre os dois. O exemplo escolhido foi o “Problema do Jantar de Filósofos”, onde temos uma mesa de jantar com cinco filósofos (que fazem o papel dos processos). Para conseguir comer um filósofo precisa de dois garfos (recurso compartilhado), porém, pela quantidade de garfos existentes na mesa (cinco), não é possível que todos comam ao mesmo tempo. Dai temos a necessidade do uso de semáforos. Semáforos provêm uma abstração simples e elegante que é útil para implementar exclusão mútua e outras tarefas de sincronização. Duas operações são definidas sobre semáforos: P (do holandês "proberen", testar): uma operação atômica que espera o semáforo ficar positivo, e a seguir decrementa-o de 1. Tanenbaum utiliza down. V (do holandês "verhogen", incrementar): uma operação atômica que incrementa o semáforo de 1. Tanenbaum utiliza up. 2.

TRABALHOS RELACIONADOS

Semáforos – Walter Fetter Lages – UFRGS (http://www.ece.ufrgs.br/~fetter/eng04008/sem.pdf) 3.

COMPARANDO OS SEMÁFOROS WINDOWS X LINUX

Os semáforos do Windows são variáveis de contagem que permitem que um número limitado de threads/processos acesse um recurso compartilhado. No Linux são utilizados semáforos System V, que são um conjunto de valores de semáforos, a criação é independente da inicialização, não são destruídos com os processos, pois estão no escopo do sistema e não no escopo dos processos que os utilizam. Também é possível utilizar POSIX pthreads como variáveis de contagem. Tipo de semáforo: o Windows fornece semáforos nomeados e não nomeados. Semáforos nomeados estendem a sincronização entre processos. No Linux, semáforos POSIX são usados somente entre as threads do mesmo processo. Entre processos, semáforos System V podem ser utilizados. Timeout em funções de espera (wait): quando usado em uma das funções de espera, o valor limite pode ser especificado para objetos de semáforo Windows. Isto não está previsto no Linux, ele precisa ser tratado na lógica de aplicação. Tabela comparativa entre os semáforos de Windows e Linux Windows Linux POSIX (threads) CreateSemaphore

sem_init

OpenSemaphore

Não se aplica sem_wait sem_trywait sem_post sem_destroy

WaitForSingleObject ReleaseSemaphore CloseHandle

Linux System V (Processos) semget semctl semget semop semop semctl

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ATIVIDADE ACADÊMICA: SISTEMAS OPERACIONAIS Módulo 4 - Semáforos Criando semáforo: no Windows é utilizado CreateSemaphore() para criar ou abrir um semáforo nomeado ou não nomeado. Esta função cria o semáforo e retorna um identificador para o semáforo. Ele também define a contagem inicial com os valores especificados na chamada. Assim, permite que um número limitado de threads acesse um recurso compartilhado. No Linux, sem_init() é utilizada para criar um semáforo POSIX não nomeado que pode ser utilizado entre as threads de um mesmo processo. Ainda no Linux, semget() é usada para criar um semáforo System V, que pode ser usado entre threads de um processo diferente. É utilizada para obter a funcionalidade de semáforo nomeado do Windows. Windows HANDLE CreateSemaphore( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName ); lpSemaphoreAttributes: é um ponteiro para os atributos de segurança. Se este for nulo, o semáforo não pode ser herdado. lInitialCount: determina a contagem inicial do semáforo. lMaximumCount: é a contagem máxima do semáforo e deve ser maior do que zero. lpName: é o nome do semáforo. Se esta é NULL, o semáforo é compartilhado apenas entre as threads do mesmo processo. Caso contrário, ele pode ser compartilhado entre encadeamentos de processos diferentes.

Linux POSIX int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)

Linux System V int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

*sem: ponteiro para o semáforo pshared: pode ser ignorada. value: (contador do semáforo) define o valor inicial do semáforo.

semget() key: é uma chave única nsems: é o número de semáforo no conjunto. IPC_PRIVATE garante a unicidade. semflg: bitwise or entre. IPC_CREAT cria um novo semáforo. Modo de acesso: rwxrwxrwx SEM_R, SEM_R >> 3, SEM_R >> 6 SEM_W, SEM_W >> 3, SEM_W >> 6

Cabe salientar que o valor máximo do contador baseia-se no SEM_VALUE_MAX definido no arquivo de cabeçalho semaphore.h.

int semctl(int semid,int semnun,int cmd, union semun arg)

Retorna o identificador dos semáforos associados a key

Abrindo semáforo: no Windows, é utilizado OpenSemaphore () para abrir um semáforo nomeado. Isso é necessário apenas se o semáforo é compartilhado entre dois processos. Após uma abertura, esta função retorna um identificador que pode ser utilizado nas chamadas subsequentes. No Linux, a abertura de um semáforo não se aplica ao POSIX, pois este trata de semáforos não nomeados. Já para semáforos System V, a mesma função semget() é utilizada para abrir um semáforo nomeado, porém usando 0 (zero) em semflg. Windows HANDLE OpenSemaphore( DWORD dwDesiredAccess, BOOL bInheritHandle, LPCTSTR lpName ); dwDesiredAccess: é o acesso solicitado para o objeto do semáforo. bInheritHandle: é a flag que controla a herança de semáforos. Se TRUE, handle pode ser herdado. lpName: é o nome do semáforo.

Linux POSIX Não se aplica

Linux System V int semget(key_t key, int nsems, int semflg)

semflg = 0

Bloqueando threads/processos (P/down): A função P(semáforo) ou Down(semáforo) decrementa uma variável do tipo semáforo. Quando tenta-se decrementar uma variável do tipo semáforo cujo o valor é 0 (zero), o processo que executou o decremento é suspenso, sendo inserido numa lista de processos bloqueados. No Windows, funções de espera (wait), oferecem a facilidade para a utilização de objetos de sincronização. Existem diferentes tipos de funções de espera disponíveis – aqui, será considerada apenas a função WaitForSingleObject(). Esta função recebe o identificador para o semáforo e espera até que seja sinalizado ou um tempo limite se esgota. No Linux, a função sem_wait() é usada para permitir o acesso ao semáforo. Esta função suspende a thread de chamada até que o semáforo tenha uma contagem diferente de zero. Em seguida, ele atomicamente diminui a contagem do semáforo. A opção de tempo limite não está disponível em semáforos POSIX. Isto pode ser conseguido através do uso da função sem_trywait() dentro de um loop, o qual conta o valor de tempo limite. Quando o semáforo System V é utilizado, a

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ATIVIDADE ACADÊMICA: SISTEMAS OPERACIONAIS Módulo 4 - Semáforos função semop() obtém o sinal quando valor inicial é definido pela função semctl() usando o comando IPC_SET. Então, semop() executa as operações especificadas no conjunto de operações e bloqueia a thread/processo de chamada até que o valor do semáforo seja zero ou maior que zero. Windows DWORD WaitForSingleObject( HANDLE hHandle, DWORD dwMilliseconds ); hHandle: é o ponteiro para mutex. dwMilliseconds: é o valor de tempo limite em milissegundos. Se o valor é INFINITE, então ele bloqueia a chamada da thread/processo.

Linux POSIX int sem_wait(sem_t *sem) sem_trywait(sem_t *sem) *sem: ponteiro para o semáforo

Linux System V int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops) *sops: estrutura sembuf, abaixo: struct sembuf { short sem_num; short sem_op; short sem_flg;}; sem_num: número do semáforo sem_op: operação de semáforo sem_flg: sinalizadores de operação

Liberando threads/processos (V/up): a função V(semáforo) ou Up(semáforo) incrementa o valor do semáforo. Quanto tentamos incrementar uma variável semáforo que estava com valor negativo, o processo que estava na lista de processos bloqueados passa para a lista de processos prontos e poderá ser executado novamente. No Windows a função RealeaseSemaphore() é utilizada para liberação. Esta função incrementa a contagem de semáforo para um valor especificado e define o estado do semáforo para sinalizado. No Linux, a função sem_post() é usada para liberar o semáforo. Este, “acorda” qualquer uma das threads bloqueadas no semáforo. A contagem do semáforo é incrementada apenas por 1. Para incrementar a contagem do semáforo por um número especificado (como no Windows), esta função pode ser chamada várias vezes junto com uma variável mutex. Para semáforos System V, a função semop() tem que ser usada para liberar o semáforo. Para liberar o semáforo, semop() é chamado com sem_op como 1 (sem_op > 0 é equivalente à operação signal). Chamando semop() com sem_op como 1, a contagem do semáforo é incrementado e o semáforo é sinalizado. Windows BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore, LONG lReleaseCount, LPLONG lpPreviousCount); hSemaphore: é um ponteiro para o manipulador do semáforo. lReleaseCount: é a contagem do semáforo incrementado. lpPreviousCount: é o ponteiro para a variável onde a contagem do semáforo anterior. O parâmetro pode ser NULL se a contagem do semáforo não for necessária.

Linux POSIX int sem_wait(sem_t *sem) sem_trywait(sem_t *sem) *sem: ponteiro para o semáforo

Linux System V int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops) *sops: estrutura sembuf, abaixo: struct sembuf { short sem_num; short sem_op; short sem_flg; }; sem_num: número do semáforo sem_op: operação de semáforo sem_flg: sinalizadores de operação

Fechando/Destruindo semáforos: no Windows a função utilizada para fechar ou destruir um semáforo é a CloseHandle(). No Linux, sem_destroy() destrói o objeto do semáforo, liberando os recursos que ele pode conter. Para semáforos System V, semctl() com comando IPC_RMID deve ser usado para fechar o conjunto de semáforos. Windows BOOL CloseHandle(HANDLE hObject);

Linux POSIX int sem_destroy(sem_t *sem)

hSemahore: é um ponteiro para o manipulador do semáforo. lReleaseCount: é a contagem do semáforo incrementado. lpPreviousCount: é o ponteiro para a variável onde a contagem do semáforo anterior. O parâmetro pode ser NULL se a contagem do semáforo não for necessária.

*sem: ponteiro para o semáforo

Linux System V int semctl(int semid, int semnum, int cmd = IPC_RMID, ...) Utilizando o comando IPC_RMID para destruir o semáforo.

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EXEMPLOS (print dos exemplos rodando)

Windows (execução de um programa com o problema do jantar de filósofos resolvido com o uso de semáforos) Ao fundo a implementação de semáforos no Windows, também é possível ver o programa sendo executado, o processo listado no Process Explorer com PID 8196 e a lista de Threads representando o processo pai (TID 6440) e mais 5 threads que representam os filósofos.

LINUX (execução de um programa com o problema jantar de filósofos resolvido com o uso de semáforos System V) Ao fundo a implementação de semáforos no Linux utilizando System V, também é possível ver o programa sendo executado, o processo pai listado no Linux Process Explorer com PID 4382 e a árvore de Processos, com 5 processos representando os filósofos.

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CONCLUSÃO Conforme a análise dos exemplos teóricos e casos práticos, tivemos a oportunidade de comparar as diferenças de funcionamento, parâmetros e definições de uso entre dois sistemas operacionais: Windows e Linux. O Windows fornece semáforos nomeados e não nomeados através de sua API. No Linux para implementar semáforos não-nomeados utiliza-se o System V Semaphores do Unix, para semáforos nomeados com Threads é utilizado POSIX. Com o exemplo teórico do “Problema do Jantar de Filósofos”, implementado em linguagem C no Windows e no Linux foi possível verificar como o programa é executado em diferentes sistemas operacionais, seus processos e suas Threads.

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REFERÊNCIAS

TANENBAUM, ANDREW S. Sistemas Operacionais Modernos/Andrew S. Tanenbaum; tradução Ronaldo A.L. Gonçalves, Luís A. Consularo, Luciana do Amaral Teixeira; revisão técnica Raphael Y. de Camargo. – 3. ed. – São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010. Comunicação Interprocessos: http://homepages.dcc.ufmg.br/~arabe/so97/aulas/aula04.html Port Windows IPC apps to Linux, Part 2: Semaphores and events: http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-ipc2lin2/index.html Sistemas Operacionais – Processos Parte 2 – Prof. Dr. Fábio Rodrigues de la Rocha (UTFPR): http://www.pb.utfpr.edu.br/frr/pagina/SO/slides/processos2.pdf Semaphore: http://comsci.liu.edu/~murali/win32/Semaphore.htm The Dining-Philosophers Problem: http://www.lisha.ufsc.br/teaching/os/exercise/phil.html