SISTEMA OPERACIONAL

PROGRAMAÇÃO CONCORRENTE

A programação concorrente foi usada inicialmente na construção de sistemas operacionais. Atualmente, ela é usada para desenvolver aplicações em todas as áreas da computação. Este tipo de programação tornou-se ainda mais importante com o advento dos sistemas distribuídos e das máquinas com arquitetura paralela. Neste capítulo serão apresentados os conceitos básicos e os mecanismos clássicos da programação concorrente. Maiores detalhes podem ser encontrados no livro [TOS03].

1 Definição

A grande maioria dos programas escritos são programas seqüenciais. Nesse caso, existe somente um fluxo de controle (fluxo de execução, linha de execução, thread) no programa. Isso permite, por exemplo, que o programador realize uma "execução imaginária" de seu programa apontando com o dedo, a cada instante, o comando que está sendo executada no momento.

Um programa concorrente pode ser visto como se tivesse vários fluxos de execução. Para o programador realizar agora uma "execução imaginária", ele vai necessitar de vários dedos, um para cada fluxo de controle.

O termo "programação concorrente" vem do inglês concurrent programming, onde concurrent significa "acontecendo ao mesmo tempo". Uma tradução mais adequada seria programação concomitante. Entretanto, o termo programação concorrente já está solidamente estabelecido no Brasil. Algumas vezes é usado o termo programação paralela com o mesmo sentido.

É comum em sistemas multiusuário que um mesmo programa seja executado simultaneamente por vários usuários. Por exemplo, um editor de texto. Entretanto, ter 10 execuções simultâneas do editor de texto não faz dele um programa concorrente. O que se tem são 10 processos independentes executando o mesmo programa seqüencial (compartilhando o mesmo código). Cada processo tem a sua área de dados e ignora a existência das outras execuções do programa. Esses processos não interagem entre si (não trocam informações). Um programa é considerado concorrente quando ele (o próprio programa, durante a sua execução) origina diferentes processos. Esses processos, em geral, irão interagir entre si.

2 Motivação

A programação concorrente é mais complexa que a programação seqüencial. Um programa concorrente pode apresentar todos os tipos de erros que aparecem nos programas seqüenciais e, adicionalmente, os erros associados com as interações entre os processos. Muitos erros dependem do exato instante de tempo em que o escalonador do sistema operacional realiza um chaveamento de contexto. Isso torna muitos erros difíceis de reproduzir e de identificar.

Apesar da maior complexidade, existem muitas áreas nas quais a programação concorrente é vantajosa. Em sistemas nos quais existem vários processadores (máquinas paralelas ou sistemas distribuídos), é possível aproveitar esse paralelismo e acelerar a execução do programa. Mesmo em sistemas com um único processador, existem razões para o seu uso em vários tipos de aplicações.

Considere um programa que deve ler registros de um arquivo, colocar em um formato apropriado e então enviar para uma impressora física (em oposição a uma impressora lógica ou virtual, implementada com arquivos). Podemos fazer isso com um programa seqüencial que, dentro de um laço, faz as três operações (ler, formatar e imprimir registro).

Figura 1 - Programa seqüencial acessando arquivo e impressora.

Inicialmente o processo envia um comando para a leitura do arquivo e fica bloqueado. O disco então é acionado para realizar a operação de leitura. Uma vez concluída a leitura, o processo realiza a formatação e inicia a transferência dos dados para a impressora. Como trata-se de uma impressora física, o processo executa um laço no qual os dados são enviados para a porta serial ou paralela apropriada. Como o buffer da impressora é relativamente pequeno, o processo fica preso até o final da impressão. O disco e a impressora nunca trabalham simultaneamente, embora isso seja possível. É o programa seqüencial que não consegue ocupar ambos.

Vamos agora considerar um programa concorrente como o mostrado na figura 2 para realizar a impressão do arquivo. Dois processos dividem o trabalho. O processo leitor é responsável por ler registros do arquivo, formatar e colocar em um buffer na memória. O processo impressor retira os dados do buffer e envia para a impressora. É suposto aqui que os dois processos possuem acesso à memória onde está o buffer. Este programa é mais eficiente, pois consegue manter o disco e a impressora trabalhando simultaneamente. O tempo total para realizar a impressão do arquivo vai ser menor.

Figura 2 - Programa concorrente acessando arquivo e impressora.

O uso da programação concorrente é natural nas aplicações que apresentam paralelismo intrínseco, ditas aplicações inerentemente paralelas. Nessas aplicações pode-se distinguir facilmente funções para serem realizadas em paralelo. Este é o caso do spooling de impressão, exemplo que será apresentado a seguir. Pode-se dizer que, em geral, a programação concorrente tem aplicação natural na construção de sistemas que tenham de implementar serviços que são requisitados de forma imprevisível [DIJ65]. Nesse caso, o programa concorrente terá um processo para realizar cada tipo de serviço.

A seguir é considerado um servidor de impressão para uma rede local. A figura 3 ilustra uma rede local na qual existem diversos computadores pessoais (PC) utilizados pelos usuários e existe um computador dedicado ao papel de servidor de impressão. O servidor usa um disco magnético para manter os arquivos que estão na fila de impressão.

Figura 3 - Rede local incluindo um servidor de impressão dedicado.

É importante observar que o programa "servidor de impressão" possui paralelismo intrínseco. Ele deve: (1) receber mensagens pela rede; (2) escrever em disco os pedaços de arquivos recebidos; (3) enviar mensagens pela rede (contendo, por exemplo, respostas às consultas sobre o seu estado); (4) ler arquivos previamente recebidos (para imprimí-los); (5) enviar dados para a impressora. Todas essas atividades podem ser realizadas "simultaneamente". Uma forma de programar o servidor de impressão é usar vários processos, cada um responsável por uma atividade em particular. Obviamente, esses processos vão precisar trocar informações para realizar o seu trabalho.

A figura 4 mostra