Definición de Abrazo Mortal

Introducción

Los abrazo mortales están muy desarrollados y es un problema muy notables en el campo de los sistemas operativos. El abrazo mortal es un conjunto de procesos en un estado de espera tal que ninguno de ellos tiene suficientes criterios para continuar su ejecución.

El problema de los abrazos mortales no es único al ambiente de los sistemas operativos. Generalizando nuestra interpretación de recursos y procesos, podemos ver que un problema de abrazo mortal puede ser parte de nuestro ambiente de vida diaria.

A continuación describiremos con mas profundidad los siguientes aspectos:

- Condiciones para que ocurra un abrazo mortal
- Prevención de Abrazos
- Detección y recuperación de Abrazos
- Formas de evitar un abrazo mortal.

Definición de Abrazo Mortal (Deadlock)

Un conjunto de procesos está en un abrazo mortal cuando todos los procesos en ese conjunto están esperando un evento que sólo puede ser causado por otro proceso en el conjunto. Los eventos a los cuales nos estamos refiriendo son concernientes con la asignación y liberación de recursos principalmente. Sin embargo, otro tipo de eventos pueden llevar a la existencia de abrazos mortales.

En la teoría de los sistemas operativos, se puede definir el problema del Abrazo Mortal como la situación de un conjunto de procesos en un estado de espera tal que ninguno de ellos tiene suficientes criterios para continuar su ejecución.

Circunstancias parecidas suceden a menudo en la vida real, por ejemplo, en una carretera de dos direcciones, donde un determinado punto de cruce con la vía férrea, se ha construido un puente que por problemas urbanísticos o de presupuesto sólo deja pasar vehículos de un sentido. Dado este punto crítico en la mencionada carretera, se presentan las siguientes situaciones:

· Un vehículo llega al puente y no se encuentra ningún otro en sentido contrario. En este caso, cruza haciendo uso del puente y no ocurre nada anormal.

· Si el paso por el puente es controlado por un semáforo en cada lado de manera que 100 metros antes de cada semáforo se sitúen sendos detectores de presencia de vehículos cuya finalidad sea poner en rojo el semáforo del sentido contrario ante la presencia de un vehículo, podría suceder que si llegan al mismo tiempo vehículos en los dos sentidos se pongan los dos semáforos en rojo impidiendo el paso de vehículos en ambos sentidos. En este caso el camino queda bloqueado, lo que representa un silogismo al Abrazo Mortal entre procesos.

· Si no habiendo semáforos, el conductor situado en uno de los extremos es losuficientemente educado que deja pasar en primer lugar al del otro extremo y antes de terminar de cruzar este último aparece por el mismo extremo otro vehículo, y asísucesivamente mientras aparezcan vehículos por el lado extremo. Esta situación podemos emparejarla con la de postergación indefinida que estudiaremos más delante.

Visto el ejemplo anterior que nos introduce en los conceptos básicos que vamos a tratar a continuación referentes al Abrazo Mortal y a la postergación indefinida, damos paso al estudio de recursos y del modelo de sistema en los que basaremos dichos conceptos.

Recursos

Se entiende como recurso un elemento que un programa o proceso puede utilizar en la computadora donde se está ejecutando. Se engloban bajo el concepto de recurso, tanto los dispositivos hardware (por ejemplo, una impresora), como una cierta cantidad de información (por ejemplo, un registro de un archivo).

No obstante, en una computadora pueden existir muchos tipos de recursos, e incluso varios del mismo tipo. Por ello definiremos un recurso como algo que puede ser utilizado por un solo proceso en un instante dado. Para que el proceso pueda utilizar un recurso, deberá realizar la siguiente secuencia de operaciones:

· Solicitar el recurso. Si no estuviera disponible el proceso, quedará bloqueado hasta que le pueda ser asignado.

· Utilizar el recurso.

· Liberar el recurso

Modelo

En primer lugar vamos a definir lo que entendemos por Abrazo Mortal. Se dice que un conjunto de procesos han alcanzado un estado de Abrazo Mortal si cada uno de ellos espera que ocurra algo que sólo puede ser producido por uno de los procesos del propio conjunto (no necesariamente tiene que ser el mismo suceso). Como todos los procesos están en espera, ninguno de ello será el primero en producir el suceso deseado y por tanto permanecerá esperando indefinidamente.

Para formalizar todo lo expuesto hasta el momento, vamos a fijar los principios en que se basa todo sistema informático:

· Posee un número finito de recursos.

· Existe un número finito de procesos que compiten por los recursos.

· Los recursos se pueden dividir en tipos de tal forma que cada uno de ellos esté compuesto por recursos idénticos entre sí.

· Los procesos deben realizar las tres acciones expuestas anteriormente sobre los recursos: solicitar, utilizar, liberar.

· Un proceso puede pedir tantos recursos como necesite para realizar su trabajo, ya sean del mismo tipo o no, siempre que no excedan del total existente en el sistema.

 Condiciones Necesarias para que Ocurra un Abrazo Mortal

Según Coffman (1971), existen cuatro condiciones que deben cumplirse para que haya estancamiento. Una situación de abrazo mortal puede surgir sí y solo sí las siguientes cuatro condiciones ocurren simultáneamente en un sistema:

1. Exclusión Mutua. Los procesos reclaman control exclusivo de los recursos que pide. Al menos un recurso es mantenido en un modo no-compartible.

2. Retener y Esperar. Los procesos que regularmente contienen recursos otorgados antes pueden solicitar nuevos recursos. Debe existir un proceso que retenga al menos un recurso y esté esperando para adquirir recursos adicionales que están siendo retenidos por otros procesos.

3. No existe el derecho de desasignar. Los recursos no pueden ser desasignados; esto es, un recurso sólo puede ser liberado voluntariamente por el proceso que lo retiene, después de que el proceso ha terminado su tarea.

4. Espera Circular. Debe haber una cadena de dos o más procesos, cada uno de los cuales esté esperando un recurso contenido en el siguiente miembro de la cadena. Debe existir un conjunto {p0, p1, …,pn} de procesos en espera tal que p0 esté esperando por un recurso que está siendo retenido por p1, p1 está esperando por un recurso que está siendo retenido por p2, …, pn-1 está esperando por un recurso que está siendo retenido por pn y pn está esperando por un recurso que está siendo retenido por p0.

Las cuatro condiciones deben de cumplirse para que pueda ocurrir un abrazo mortal. La condición de espera circular implica la condición de retener y esperar, de tal manera que las cuatro condiciones no son totalmente independientes. Sin embargo, puede ser útil el considerar cada condición por separado.

Una forma de modelar estas condiciones es usando un grafo de recursos: los círculos representan procesos, los cuadrados recursos. Una arista desde un recurso a un proceso indica que el recurso ha sido asignado al proceso. Una arista desde un proceso a un recurso indica que el proceso ha solicitado el recurso, y está bloqueado esperándolo. Entonces, si hacemos el grafo con todos lo procesos y todos los recursos del sistema encontramos un ciclo, los procesos en el ciclo están bajo bloqueo mutuo.

Preasignación de recursos

 Cuando un proceso comienza determina los recursos que va a usar

 Cuando todos estén disponibles, comienza

 Utilizado en el sistema OS/360

 Inconvenientes:

 Es necesario conocer a priori los recursos que se van a emplear

 Puede que algún recurso solicitado no se emplee

 Se obtiene una baja utilización de los mismos

Asignación con restricciones

 El usuario está obligado a establecer a priori qué recursos va a utilizar

 Al contrario que en el caso anterior, el proceso comienza su ejecución y se le van asignando recursos dinámicamente

 Antes de asignar los recursos se comprueba que el sistema permanece en un estado seguro

 ¿Qué es un estado seguro?

 Detección y recuperación

Cuando se utiliza esta técnica, el sistema no hace nada salvo monitorear las requisiciones y devoluciones de recursos. Cada vez que se solicita o se devuelve un recurso, la gráfica de recursos se actualiza y se hace una verificación para observar si existe algún ciclo. Si existe uno, se elimina uno de los procesos contenidos en el ciclo. Si esto no deshace el estancamiento, se elimina otro proceso y así sucesivamente hasta que se rompa el ciclo.

La detección y recuperación es la estrategia que a menudo se usa en las macrocomputadoras, sobre todo los sistemas por lotes en los que terminar y luego reiniciar un proceso suele ser aceptable.

Si un sistema no emplea una prevención de los abrazos mortales puede ocurrir un abrazo.

Entonces el sistema debe proporcionar: – un algoritmo para examinar cada estado del sistema – un algoritmo para recuperarse de los abrazos Un algoritmo de detección y recuperación necesita mantener cierta información además que existen ciertas perdidas cuando nos recuperamos de un abrazo (tiempo que los procesos no se ejecutan, etc.)

Como algoritmo de detección se puede emplear una variante del algoritmo de seguridad visto anteriormente. Si al terminar tenemos procesos con Terminado[i] con valor FALSE, estos procesos se encontrarán en abrazo mortal. Problema: ¿Cuándo debemos invocar al algoritmo de detección? Depende de:

 ¿Cada cuánto tiempo se produce el abrazo mortal? si es frecuentemente el algoritmo de detección se invoca con frecuencia los procesos durante el abrazo están ociosos el número de procesos implicados en el abrazo puede aumentar
 ¿Cuántos procesos se ven implicados en ello?

Podemos invocar al algoritmo:

 Cada vez que se pide un nuevo recurso (mucho coste)
 Cada vez que se pide un recurso y no se concede
 Cada cierto intervalo de tiempo (X minutos)
 Cuando la carga del sistema cae por debajo de cierto %

 Prevención

Los libros de texto te dirán que si siempre bloqueas en el mismo orden, nunca obtendrás esta clase de deadlock. La práctica te dirá que este tipo de aproximación no escala bien: cuando creo un nuevo bloqueo, no entiendo suficientemente el núcleo para imaginarme dónde está él en la jerarquía de los 5000 bloqueos.

Los mejores bloqueos están encapsulados; nunca estarán expuestos en las cabeceras, y nunca se mantendrán a través de llamadas a funciones no triviales fuera del mismo archivo. Puedes leer a través de este código y ver que nunca hará deadlock, porque nunca intenta tener otro bloqueo mientras tiene el uso. La gente usando tu código no necesita saber nunca que estás usando un bloqueo.

Un problema clásico aquí es cuando suministras retrollamadas o trampas: si las llamas con el bloqueo mantenido, arriesgas un deadlock simple, o un abrazo mortal (¿quién sabe lo que hará la llamada?). Recuerda, los otros programadores andan detrás de ti, por lo tanto no hagas esto

Se ha llegado a la conclusión de que si falta una de las cuatro condiciones necesarias, es imposible que ocurra un bloqueo. Havender (HV68) sugirió las siguientes estrategias para evitar varias de estas condiciones:

1. Cada proceso deberá pedir todos sus recursos requeridos de una sola vez y no podrá proceder hasta que le hayan sido asignados.

2. Si a un proceso que mantiene ciertos recursos se le niega una nueva petición, este proceso deberá liberar sus recursos originales y, en caso necesario, pedirlos de nuevo junto con los recursos adicionales.

3. Se impondrá la ordenación lineal de los tipos de recursos en todos los procesos, es decir, si a un proceso le han sido asignados recursos de un tipo dado, en lo sucesivo sólo podrá pedir aquellos recursos de los tipos que siguen en el ordenamiento.

Exclusión mutua Si nunca se asignara un recurso exclusivamente a un solo proceso, nunca tendríamos estancamiento. No obstante, que al permitir que dos procesos se ejecuten se llegaría al caos. Por lo tanto es una condición que no queremos romper. 1.- Retener y esperar: La primera estrategia requiere que todos los recursos que va a necesitar un proceso sean pedidos de una sola vez. El sistema deberá asignarlos según el principio de "todo o nada". Con ésto, se niega la condición de "espera por" y el bloqueo, no puede producirse.

Esta estrategia puede llevar a un serio desperdicio de recursos, así como a provocar postergación indefinida. ya que quizá no todos los recursos requeridos estén disponibles al mismo tiempo.

Un enfoque de uso frecuente entre los implementadores de sistemas para obtener una mejor utilización de recursos en estas circunstancias, es dividir un programa en varios pasos que se ejecuten con una relativa independencia uno del otro. Entonces, la asignación de recursos puede ser controlada por pasos, en lugar de establecer un control del proceso total. Esto puede reducir el desperdicio, pero implica gran sobrecarga en el diseño de sistemas de aplicaciones, así como en su ejecución.

Para ejemplificar la diferencia entre estos dos enfoques, considere un proceso que copia un archivo de una unidad de cinta(1) a una unidad de disco, ordena el archivo en disco, después imprime los resultados a una impresora en línea y finalmente copia el archivo de disco a la unidad de cinta(2). Si todos los recursos deben ser solicitados al inicio del proceso, entonces el proceso debe iniciar solicitando la unidad de cinta(1), la unidad de disco, la impresora en línea y la unidad de cinta(2). Este proceso mantendrá las unidades de cinta (1) y (2) durante la ejecución completa aunque solo las utilice al principio y al final de su ejecución respectivamente.

El segundo método permite al proceso el solicitar inicialmente solo la unidad de cinta(1) y la unidad de disco. Así puede copiar el archivo de la unidad de cinta (1) a la unidad de disco y ordenarlo, posteriormente debe liberar la unidad de cinta(1) y la unidad de disco. El proceso debe de volver a solicitar la unidad de disco y la impresora en línea para hacer la impresión. Después de imprimir debe de liberar la unidad de disco y la impresora. Ahora debe de volver a solicitar la unidad de disco y la unidad de cinta(2) para copiar el archivo a cinta, debe liberar ambos recursos y terminar.

2.- No existe el derecho de desasignar: La tercera condición necesaria es que no debe de existir el derecho de desasignar recursos que han sido previamente asignados. Con el fin de asegurar que esta condición no se cumpla, se puede usar la siguiente estrategia. Si un proceso que está reteniendo algunos recursos solicita otro recurso que no puede ser asignado inmediatamente (esto es, que el proceso tenga que esperar), entonces todos los recursos que tiene este proceso en espera son desasginados. Esto es, los recursos son liberados implícitamente. Los recursos liberados son agregados a la lista de los recursos por los cuales está esperando el proceso. El proceso solo puede volver a ser reinicializado cuando haya obtenido otra vez todos los recursos que tenía asignados así como el nuevo recurso que estaba solicitando.

Alternativamente si un proceso solicita algunas recursos, primero verificamos si estos están disponibles. Si es así, entonces se le asignan. De otro modo, se verifica si están asignados a alguno de los procesos que están en espera de recursos adicionales. Si es así, los recursos deseados son desasginados del proceso en espera y asignados al proceso solicitante. De otra manera (no están disponibles, ni asignados a procesos en espera) el proceso que hace la solicitud debe esperar. Pero, mientras está esperando, algunos de sus recursos pueden ser desasignados solamente si estos son solicitados. Un proceso puede ser reinicializado cuando se le asigna el recurso que había solicitado y recupera cualquier recurso que haya sido desasignado mientras esperaba.

Esta estrategia es utilizada usualmente sobre recursos cuyo estado puede ser fácilmente salvado y restablecido posteriormente, ejemplo de ellos son los registros del CPU y el espacio en la memoria. Este no puede ser aplicado a recursos tales como impresoras.

3.- Espera circular: Con el fin de asegurarse de que la condición de espera circular nunca se presente, se puede imponer un ordenamiento total sobre todos los tipos de recursos. Esto es, asignamos a cada tipo de recurso un número entero único, el cual permita comparar dos recursos y determinar cuando uno precede al otro en el ordenamiento.

 Los recursos deben ser pedidos en orden ascendente por número de recurso. Los números de recurso son asignados por la instalación y "hay que vivir con ellos" durante largos periodos.
 Cuando se asignan los números de recurso deben reflejar el ordenamiento normal en el cual la mayoría de los trabajos van a utilizar esos recursos. Para los trabajos que se acoplen a este ordenamiento puede esperarse una operación eficiente. Pero para los que requieran de los recursos en un orden diferente al supuesto en la instalación, los recursos deberán ser adquiridos y mantenidos mucho antes de su utilización.
 El ordenamiento lineal elimina de forma efectiva la posibilidad de espera circular, no obstante, crea un efecto contaminante sobre la capacidad del usuario para escribir códigos de aplicaciones de una forma fácil y libre.

Más formalmente, sea R={r1,r2,…,rn} el conjunto de tipos de recursos. Puede definirse una función uno a uno F:R->N, donde N es el conjunto de números naturales. Por ejemplo, si el conjunto R de tipos de recursos incluye unidades de disco (UDD), unidades de cinta (UDC), lectoras ópticos (LO) e impresoras (I), entonces la función F puede ser definida como sigue:

F(LO) =1

F(UDD) = 5

F(UDC) = 7

F(I) = 12

Cada proceso puede solicitar recursos sólamente en un orden creciente de numeración. Esto es un proceso puede solicitar inicialmente cualquier número de instancias de un tipo de recurso, digamos ri. Después de esto, el proceso puede solicitar instancias de recursos del tipo rj si y solo si F(rj) > F(ri). Si varias instancias del mismo tipo de recurso son necesitadas, debe hacerse una sola petición para todas las instancias. Por ejemplo, usando la función definida anteriormente, un proceso que quiere usar el lector óptico (LO) y la impresora (I) debe solicitar primero el (LO) y después la (I).

Debe notarse que la función F debe definirse de acuerdo al ordenamiento de uso normal de los recursos en el sistema. Por ejemplo, usualmente se utiliza primero una (UDD) antes que la (I), por lo cual es razonable definir F(UDD) < F(i).

ALGORITMOS PARA EVITAR EL DEADLOCK

El Algoritmo del Banquero. (The Banker's Algorithm – Dijkstra (1965) Habermann (1969)) se basa en determinar si los recursos que están libres pueden ser adjudicados a procesos sin abandonar el estado "seguro".

Supondremos N procesos y M clases de recursos y ciertas estructuras de datos

– Disponible : Vector de longitud M. Disponible(j) = k, indica que existen k instancias disponibles

del recurso r(j).

– MAX : Matriz de NxM. Define la máxima demanda de cada proceso. MAX(i,j) = k, dice

que p(i) requiere a lo sumo k instancias del recurso r(j).

– Asignación : Matriz de NxM. Define el número de recursos de cada tipo actualmente tomados

por cada proceso. Asignación(i,j,) = k, dice que el proceso p(i) tiene k instancias del recurso r(j).

– Necesidad : Matriz de NxM. Define el resto de necesidad de recursos de cada proceso. Necesidad(

i,j) = k significa que el proceso p(i) necesita k más del recurso r(j).

– Requerimiento : Es el vector de requerimientos de p(i). Requerimiento (i)(j) = k, indica que p(i)

requiere k instancias del recurso r(j).

De lo cual se desprende que:

Necesidad(i,j) = MAX(i,j) – Asignación(i,j)

Para simplificar utilizaremos la notación siguiente:

Si X e Y son dos vectores:

X ≤ Y sii X(i) ≤ Y(i) para todo i y

X < Y sii X ≤ Y , y X ≠ Y.

Además trataremos aparte las matrices por sus filas, por ejemplo, Asignación(i) define todos los recursos

asignados por el proceso p(i).

Requerimiento(i) es el vector de requerimientos de p(i).

Requerimiento(i)(j) = k indica que p(i) requiere k instancias del recurso r(j).

ALGORITMO

Cuando se requiere un recurso se toman estas acciones:

1. Si Requerimiento(i) ≤ Necesidad(i) seguir, sino ERROR (se pide más que lo declarado en MAX(i)).

2. Si Requerimiento(i) ≤ Disponible seguir, si no debe esperar, pues el recurso no está disponible

3. Luego el sistema pretende adjudicar los recursos a p(i), modificando los estados de la siguiente forma:

Disponible = Disponible – Requerimiento(i)

Asignación(i) = Asignación(i) + Requerimiento(i)

Necesidad(i) = Necesidad(i) – Requerimiento(i)

Si esta nueva situación mantiene al sistema en estado "seguro", los recursos son adjudicados. Si el nuevo

estado es "inseguro", p(i) debe esperar y, además, se restaura el anterior estado de asignación total de recursos.

 Formas de Evitar un Abrazo Mortal

- Tener recursos compartidos
- Poder quitarle un recurso a un flujo
- Poder conseguir todos los recursos que necesita en forma atómica.
- Ordenar las peticiones de recursos (tener que conseguirlos en el mismo orden.

Para evitar DEADLOCKS, en los casos en que se deba coexistir con las 4 condiciones necesarias, de debe conocer de qué manera los procesos requerirán sus recursos.

El modelo más sencillo es conocer de antemano la cantidad máxima de cada tipo de recurso a necesitar. Conocido esto es posible construir un algoritmo que permita que nunca se entre en "estado de deadlock". Consisteen examinar periódicamente el número de recursos disponibles y asignados para evitar una "espera circular".

Un estado "seguro" (SAFE) es cuando se pueden asignar recursos a cada proceso en algún orden y evitarel deadlock.

Formalmente: Un sistema está en estado "seguro" si existe una "secuencia segura de procesos". Unasecuencia <p(1),p(2), …,p(n)> es segura si por cada p(i) los recursos que necesitará pueden ser satisfechos por los recursos disponibles más todos los recursos retenidos por todos los p(j) tal que j < i. En este caso p(i) puede esperar que todos los p(j) terminen, obtener todos sus recursos y luego que los libera, el p(i+1) a su vez, puedeobtener todos los recursos necesarios. Si esta secuencia no existe el sistema está en estado inseguro "UNSAFE".

Veamos un ejemplo:

Los procesos necesitarían cintas, existiendo un máximo de 12 cintas disponibles.

P(0) —-> 10 P(1) —-> 4 P(2) —-> 9

En un instante T(0) dado tienen asignado:

T(0) P(0) <—- 5 P(1) <—- 2 P(2) <—- 2 3 Libres

Existe una secuencia segura <P(1),P(0),P(2)>.

Necesita Tiene

P(1) 4 2

P(0) 10 5

P(2) 9 2

P(1) toma 2 más. Cuando termina libera 4, más la instancia que quedaba libre son 5, luego

P(0) toma 5. Cuando termina libera las 10 retenidas y luego

P(2) toma 7 y luego termina.

Luego estamos en un estado seguro, con lo cual no podemos pasar a un estado de "deadlock" si se asignan

los recursos en el orden dado por la secuencia dada.

De un estado "seguro" podemos pasar a uno "inseguro" (UNSAFE). Supongamos que en el instante T(1),

se da un recurso más a P(2) :

T1) P(0) <—- 5 P(1) <—- 2 P(2) <—- 3 2 Libres

Solo P(1) puede satisfacer sus requerimientos, aquí no existe una secuencia segura, pues ni P(0), ni P(2) pueden obtener la totalidad de recursos que requieren, entonces podemos desembocar en un estado de "deadlock".

Si se hubiera respetado la secuencia "segura", esto no se habría producido.

Luego se pueden definir algoritmos que aseguren no entrar en un estado "inseguro", evitando en conclusiónel estado de "deadlock".

Esto está indicando que cuando un recurso es pedido, aún estando disponible, es necesario verificar si no desembocará en un estado "inseguro".

Conclusión

El abrazo mortal es un conjunto de procesos en un estado de espera tal que ninguno de ellos tiene suficientes criterios para continuar su ejecución. Cuando cada proceso del conjunto esta esperando por un evento que solo puede ser causado por otro proceso que esta dentro de este conjunto.

El objetivo de un abrazo mortal, ofrece una herramienta que nos permite modelar el problema del abrazo mortal y ofrecer las soluciones del mismo.

Entre las condiciones para que se produzca un abrazo mortal tenemos, exclusión mutua, retener y esperar, no existe el derecho de designar y espera circular. Estas cuatro condiciones deben de cumplirse para que pueda ocurrir un abrazo mortal.

La detección y recuperación es el sistema que se utiliza para monitorear las requisiciones y devoluciones de recursos, es la estrategia que a menudo se usa en las macrocomputadoras sobre todos los sistemas por lotes en los que terminan y luego se reinicia un proceso que suele ser aceptable.

La prevención son problemáticos, pero no son tan malos como la corrupción de datos. El código que obtiene un bloqueo de lectura, busca una lista, falla al encontrar lo que quiere, tira el bloqueo de lectura, obtiene un bloqueo de escritura e inserta el objeto tiene una condición de carrera.

La mejor forma de evitar los abrazos mortales es ignóralos por completo. Y posteriormente resórbelos en un determinado momento.

Bibliografía

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www.dc.uba.ar/people/materias/so/datos/cap17.pdf –

Dolonnis Cachutt