Sistemas Operativos Distribuidos. Presentación

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Sistemas Operativos Distribuidos

Presentación

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Sistemas Operativos Distribuidos Sistemas Operativos Distribuidos Sistemas Operativos Distribuidos Sistemas Operativos Distribuidos 1

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1 José María Peña SánchezFernando Pérez Costoya

Referencias Básicas

• Distributed Operating Systems

A. S. Tanenbaum

Prentice-Hall, 1995

• Distributed Systems: Concepts and Design

G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg

Addison-Wesley, 2001

• Pattern-Oriented Software Architecture: Patterns for

Concurrent and Networked Objects (Vol 2).

D. Schmidt, M. Stal, H. Rohnert, F. Bruschmann Wiley, 2000

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22

Referencias Básicas

• Distributed Operating Systems: Concepts & Practice

D. L. Galli

Prentice-Hall, 2000

• Distributed Operating Systems & Algorithms

R. Chow, T. Johnson

Addison-Wesley, 1997

Traducción al Castellano

• Sistemas Operativos Distribuidos

A. S. Tanenbaum

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Índice del Curso

Índice de Temas

• Introducción y conceptos • Comunicación en sistemas

distribuidos

• Sistemas de ficheros distribuidos y servicios de directorio.

• Sincronización y coordinación • Sistemas de memoria distribuida • Gestión de procesos • Seguridad en sistemas distribuidos

Tecnologías

•CORBA

•DCOM

•DCE

•Java:

•Jini •RMI •EJB

Entornos Distribuidos

y

C

asos de E

studio

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Objetivos

• Conceptos (Objetivo Principal)

– Diseño de sistemas distribuidos (No sólo sistemas operativos). – Problemática de sistemas distribuidos:

• Transacciones y concurrencia. • Nombrado y organización.

• Seguridad.

• Configuración y optimización.

• Técnicas (Objetivo Secundario)

– Tecnologías y entornos de desarrollo distribuidos. – Herramientas de desarrollo.

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Direcciones de Contacto

Información Actualizada:

• Página de la asignatura:

– http://laurel.datsi.fi.upm.es/~ssoo/SOD/

Profesores Responsables:

• Fernando Pérez Costoya

– <[email protected]>

• José María Peña Sánchez

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Sistemas Operativos Distribuidos

Introducción y

Conceptos

Introducción y

Conceptos

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Contenidos del Tema

• Evolución de los sistemas operativos:

– Definición de sistema centralizado. – Definición de sistema distribuido.

• Ventajas y desventajas de los sistemas distribuidos.

• Sistemas operativos distribuidos.

• Sistemas operativos de red.

• Middlewares.

• Objetivos de un sistema distribuido.

• Componentes de un sistema distribuido.

• Notación y formalismos.

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Arquitectura de Sistemas Centralizados

• Único computador (caro y de gran potencia) con terminales

alfanuméricos directamente conectados.

• Entornos de empresa:

– Soporte multiusuario

– Uso de mainframes o minicomputadores

• Entornos científicos:

– Ejecución eficiente de aplicaciones – Uso de supercomputadores

• Uso ocasional de la red:

– Transferir ficheros o logins remotos

• Interfaz de usuario poco amigable

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Arquitectura de Sistemas Distribuidos

• Conjunto de procesadores conectados por una red

• Cada usuario tiene capacidad de procesamiento local que

permite interfaces de usuario sofisticadas.

• Uso intensivo de la red para compartir recursos:

– dispositivos – datos

– procesadores (migración de procesos)

• Capacidad global de procesamiento disponible para:

– Servicio a múltiples usuarios

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Nacimiento de los Sistemas Distribuidos

Causas:

• Tecnología de microprocesadores: relación potencia/coste.

• Tecnologías de comunicaciones:

– Protocolos de comunicaciones.

– Redes de área local (LAN): Coste y prestaciones. – Internet

• Factores comerciales:

– Comercio electrónico: e-comerce. – Información distribuida (WWW). – Reducción de costes.

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11 11

Características de un Sistema Distribuido

Definición: [Tan95]

Un sistema distribuido es una colección de computadoras

independientes que aparece ante los usuarios del sistema como

una única computadora.

★

Recursos distribuidos para un trabajo común.

★

N computadoras ➙ Un “servicio” único a los usuarios.

Tradicionalmente (1972):

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12 12

Características de un Sistema Distribuido

Un sistema distribuido implica las siguientes consecuencias:

• No existe un reloj común: Afecta a cualquier aspecto de

coordinación y mensajes.

• Concurrencia global: Los elementos del sistema se ejecutan

realmente en paralelo.

• Fallos independientes: Los modos de fallo del sistema

pueden ser locales a un subconjunto de sus componentes.

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13 13

Evolución de los Sistemas Operativos

• Sistemas Operativos

Centralizados.

• Sistemas Operativos

en Red

• Sistemas Operativos

Distribuidos

• Sistemas

Cooperativos

Sistema Objetivos Sistema Operativo Centralizado Gestión de recursos, “Máquina extendida”, (Virtualidad) Sistema Operativo en Red Compartición de recursos, (Interoperabilidad) Sistema Operativo Distribuido

Vista única de varias computadoras (Transparencia) Sistema Cooperativa Trabajo cooperativo, (Autonomía)

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14 14

Capas de un Sistema Operativo

La visión esquemática de un sistema operativo comprende los

siguientes niveles:

• Hardware.

• Núcleo (kernel).

• Servicios del sistema.

• Programas de aplicación.

• Usuarios.

Hardware Hardware Hardware Hardware Kernel Kernel Kernel Kernel Servicios Servicios Servicios Servicios Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones Aplicaciones Usuarios Usuarios Usuarios Usuarios

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15 15

Responsabilidades del Kernel

Kernel KernelKernel Kernel Servicios ServiciosServicios Servicios µ− µ− µ−

µ−KernelKernelKernelKernel

Servicios Servicios Servicios Servicios Computadora Computadora Computadora Computadora Computadora ComputadoraComputadora Computadora µ− µ− µ−

µ−KernelKernelKernelKernel µ−µ−Kernelµ−µ−KernelKernelKernel µ−µ−µ−µ−KernelKernelKernelKernel

Servicios ServiciosServicios Servicios Kernels Kernels Kernels

Kernels Monolíticos:Monolíticos:Monolíticos:Monolíticos:

Muchas funcionalidades dentro del kernel: planificador, gestión de memoria, drivers,...

µ− µ− µ−

µ−KernelsKernelsKernelsKernels::::

Se sacan funcionalidades del kernel. Sólo quedan: (i) comunicación entre procesos, (ii) administración de memoria, (iii) administración y planificación de bajo nivel y (iv) entrada/salida de bajo nivel

Servicios Distribuidos: Servicios Distribuidos: Servicios Distribuidos: Servicios Distribuidos:

Estructura de sistema distribuido. Dependiendo del nivel se habla de: Sistema Operativo

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16 16

Heterogeneidad de un Sistema

Distribuido

Un sistema distribuido puede estar formado por multitud de

elementos conectados por redes LAN o WAN:

– Terminales X y Estaciones Java (Network Computer). – PCs y estaciones de trabajo.

– Sistemas portátiles (redes móviles: GSM, WAP y ...) – Minicomputadores.

– Supercomputadores.

– Multiprocesadores con memoria compartida o no.

– Servidores especializados (de almacenamiento, de impresión, ...). – Sistemas empotrados.

Fomentada por los siguientes factores:

– Extensibilidad de los sistemas distribuidos. – Especialización de los servidores.

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17 17

Ventajas de los Sistemas Distribuidos

• Economía: Buena relación rendimiento/coste

– Ley de Grosch (obsoleta):

Prestaciones = cte x (Precio)2

• Alto rendimiento: Procesamiento paralelo.

• Soporte de aplicaciones inherentemente distribuidas.

– Por ejemplo: empresa distribuida geográficamente

• Capacidad de crecimiento: Escalabilidad.

• Fiabilidad y disponibilidad: Tolerancia a (ciertos) fallos.

• Carácter abierto y heterogéneo:

– Estándares de interoperabilidad.

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Desventajas de los Sistemas Distribuidos

• Necesidad de un nuevo tipo de software:

– Más complejo.

– No hay todavía un acuerdo sobre cómo debe ser.

• Red de interconexión introduce nuevos problemas:

– Pérdida de mensajes y saturación.

– Latencia puede provocar que al recibir un dato ya esté obsoleto. – La red es un elemento crítico.

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19 19

Aplicaciones de los Sistemas Distribuidos

• Servicios Internet: correo, noticias, Web, ... nuevos servicios.

• Redes corporativas e intranets.

• Procesamiento paralelo:

– Procesamiento masivo (solución a la eficiencia).

– Topología distribuida (problemas de naturaleza distribuida)

• Sistemas distribuidos de gestión de bases de datos y

explotación de los mismos: e.g. Data Warehousing.

• Aplicaciones multimedia.

• Sistemas industriales distribuidos y aplicaciones de control.

• Sistemas distribuidos de tiempo real.

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Distribución de los Sistemas Operativos

• Sistemas operativos para multiprocesadores con memoria

compartida (SMP):

– Software fuertemente acoplado

– sobre Hardware fuertemente acoplado

• Sistema operativo distribuido (SOD):

– Software fuertemente acoplado

– sobre Hardware débilmente acoplado

• Sistema operativo en red:

– Software débilmente acoplado

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Sistemas Operativos para SMPs

Arquitecturas de varios procesadores (2 a 8) con memoria

compartida de acceso uniforme (SMP: Simetric Multiprocesors)

Características:

– “Ligeras” variaciones sobre versiones tradicionales. – Sólo hay una copia del sistema operativo.

– Concurrencia se traduce en paralelismo real (≠ tiempo compartido). – Comercialmente aceptados (Linux, WinNT, Solaris, AIX, ...).

– Plantea retos para: la ejecución del núcleo en varios procesadores (llamadas al sistema concurrentes) , los mecanismos de

sincronización (spin-locks), optimización y planificación (afinidad al

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22 22

Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)

Definición: [Gal00]

Un sistema operativo distribuido es un conjunto de procesadores

interconectados por redes que ocultan dicha característica

mostrando una visión al usuario de “

uniprocesador virtual

”.

Características:

– Ejecuta sobre un sistema distribuido haciendo creer a los usuarios que se trata de un sistema centralizado.

– Trasparencia: Debe ocultar factores derivados de la distribución. – Es fácil de decir pero no de hacer.

– Cada sistema alcanza hasta cierto punto esta meta.

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Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)

Problemática:

– Cada nodo tiene su copia del sistema operativo: ¿Qué tareas se realizan localmente y cuáles son globales?

– ¿Cómo lograr exclusión mutua sin memoria compartida? – ¿Cómo tratar los interbloqueos sin un estado global?

– Planificación de procesos: Cada copia del sistema operativo tiene su cola de planificación (migración de procesos).

– ¿Cómo crear un árbol de ficheros único?

– Implicaciones de la falta de reloj único, la presencia de fallos o la heterogeneidad.

Principal aportación:

– Se han desarrollado nuevos conceptos y planteamientos que se han podido trasladar a los otros modelos de sistemas distribuidos.

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24 24

Evolución de los SOD

• Primeros SO de red:

– Incluir servicios de red en SO convencional – Ejemplo: UNIX 4BSD (≈1980)

• Paulatina incorporación de más funcionalidad:

– ONC de Sun (≈1985): incluye NFS, RPC, NIS

• Primeros SOD:

– Nuevos SO pero basados en arquitecturas convencionales (monolíticas)

– Ejemplo: Sprite de la Universidad de Berkeley (≈1988)

• SOD basados en m-kernel. Ejemplos:

– Mach de CMU (≈1986)

– Amoeba diseñado por Tanenbaum (≈1984) – Chorus de INRIA en Francia (≈1988)

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Sistemas Operativos en Red

Definición: [Cho97]

Red de computadoras débilmente acopladas en las que no existe

un control externo directo sobre el hardware/software de cada

computadora para la compartición de recursos.

Características:

– No dan la visión de uniprocesador virtual (máquinas independientes). – Cada una ejecuta una copia de sistema operativo (distinto).

– Sistema operativo convencional + utilidades de red.

– Protocolos de comunicación para intercambio de recursos y acceso a servicios de alto nivel.

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Sistemas Cooperativos

Definición: [Cho97]

Sistemas software orientados a servicios de alto nivel que

requieren el soporte de mecanismos de comunicación en base a

los cuales los protocolos de comunicaciones de alto nivel se

construyen.

Características:

– Se mantiene el grado de trasparencia sacrificando la visión de único sistema. Son sistemas autónomos independientes.

– Se construyen en base a middlewares (CORBA, DCE, DCOM, ...) – Los sistemas resultan de la integración de múltiples servicios

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Middleware

Middleware:

– Capa de software que ejecuta sobre el sistema operativo local ofreciendo unos servicios distribuidos estandarizados.

– Sistema abierto independiente del fabricante.

– No depende del hardware y sistema operativo subyacente.

Ejemplos:

– DCE (Open Group). – CORBA (OMG). – ... Hardware Hardware Hardware Hardware SO SOSO SO Hardware Hardware Hardware Hardware SO SO SO SO Hardware Hardware Hardware Hardware SO SOSO SO Middleware MiddlewareMiddleware Middleware

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Objetivos de un Sistema Distribuido

En general el desarrollo de sistemas distribuidos intenta poner

solución a los siguientes objetivos:

– Transparencia. – Fiabilidad. – Rendimiento. – Capacidad de crecimiento. – Flexibilidad. – Seguridad.

Sistemas operativos distribuidos, sistemas en red y sistemas

cooperativos requieren diferentes facetas de estos objetivos.

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Transparencia

Existen varios perfiles de trasparencia:

– Acceso: Manera de acceder a recurso local igual que a remoto. – Posición: Se accede a los recursos sin conocer su localización. – Migración: Recursos pueden migrar sin afectar a los usuarios. – Concurrencia: Acceso concurrente no afecta a los usuarios. – Replicación: La existencia de réplicas no afecta a los usuarios. – Fallos: La ocurrencia de fallos no afecta a los usuarios.

– Crecimiento: El crecimiento del sistema no afecta a los usuarios. – Heterogeneidad:Carácter heterogéneo no afecta a los usuarios.

¿Es buena tanta transparencia?

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Fiabilidad

Fiabilidad como disponibilidad:

– Teóricamente: OR-lógico de sus componentes.

– En ciertos casos: AND-lógico de varios componentes. – Mecanismos: redundancia y evitar componentes críticos.

– Tolerancia a fallos: Los componuentes pueden no caerse pero funcionan de forma errónea.

Fiabilidad como coherencia:

– Se dificulta con la redundancia: inconsistencias

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Rendimiento

Rendimiento para un servicio multiusuario:

– Objetivo: Rendimiento no peor que un sistema centralizado

Rendimiento para la ejecución paralela de aplicaciones:

– Objetivo: Rendimiento proporcional a procesadores empleados

Factores:

– Mayor número de procesadores – Elementos críticos:

• Especialmente la red: Latencia de la comunicación, uso de caches, ...

– Grano de paralelismo (relación proceso/comunicación). – Replicación de elementos/tareas.

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Capacidad de Crecimiento

Diseño de un sistema distribuido debe evitar “cuellos de botella”:

– Componentes centralizados – Tablas centralizadas

– Algoritmos centralizados

Problemática agravada por el número de elementos:

– Ninguna máquina tiene información completa del estado del sistema – Las decisiones se basan sólo en información disponible localmente – El fallo de una máquina no debe invalidar el algoritmo

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Flexibilidad

Capacidad para ampliarlo o extenderlo con nuevas

funcionalidades de forma sencilla.

Definición de responsabilidades:

– Sistemas con µ-kernel:

• Comunicación entre procesos. • Cierta administración de memoria.

• Administración y planificación de procesos (limitada y de bajo nivel). • Entrada/salida de bajo nivel.

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Flexibilidad

Un elemento fundamental de la flexibilidad son los

sistemas

abiertos

.

El desarrollo de estos sistemas requiere:

– Sus interfaces y protocolos deberían ser públicos. – Contrario a ”tecnología propietaria”.

– Uso de estándares siempre que sea posible.

– Disponibilidad de su código fuente (libremente o no).

– Regulación por parte de un colectivo (usuarios u organizaciones) y no por particulares (fabricantes).

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Componentes de un Sistema Distribuido

El desarrollo de un sistema distribuido complejo requiere el uso

de las siguientes funciones y servicios:

– Servicios de comunicación.

– Sistemas de ficheros y nombrado distribuido. – Servicios de sincronización y coordinación. – Memoria compartida distribuida.

– Gestión de procesos. – Servicio de seguridad.

Estas funcionalidades se plasman en elementos concretos del

sistema: componentes, protocolos, algoritmos, soporte

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Servicios de Comunicación

• Modelos de interacción:

– Cliente/servidor: (2-niveles, 3-niveles o n-niveles) – Peer-to-peer: Equilibrio de roles.

– Intermediarios: Proxy, Dispacher, Caches, ... – Unicast vs Multicast

– Fiabilidad.

– Síncronos vs Asíncronos

• Tecnologías de comunicación:

– Paso de mensajes: Berkeley sockets.

– Llamada a procedimientos remotos: RPC.

– Tecnologías de objetos distribuidos: CORBA, DCOM, EJB – Código móvil: Entornos de agentes.

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Sistemas de Ficheros Distribuidos

Identificación, localización y acceso a elementos del entorno

distribuido.

Comprende:

– Sistemas de ficheros distribuidos (SFD): NFS, AFS. – Servicios de nombres: DNS, COS-Naming (CORBA). – Servicios de directorio: X.500, LDAP, JNDI.

Cuestiones:

– Arquitectura de los servicios.

– Almacenamiento intermedio: caching. – Replicación y coherencia.

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Servicios de Sincronización y

Coordinación

Comprende los conceptos de:

– Tiempo en entornos distribuidos: Sincronización de relojes y relojes lógicos.

– Concurrencia y Paralelismo: Exclusión mutua e interbloqueos. – Algoritmos distribuidos: Elección de líder, coordinación, ...

– Transacciones: Propiedades ACID, modelos de commit/rollback.

Afecta a otros servicios:

– Nombrado e identificación. – Seguridad y fiabilidad.

– Comunicaciones. – ...

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Memoria Compartida Distribuida (DSM)

Hardware:

– Memoria físicamente compartida.

– Memoria distribuida (lógicamente compartida). – Acceso uniforme vs acceso no uniforme.

Distributed Shared Memory:

– Basada en páginas.

– Basada en variables compartidas. – Basada en objetos.

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Gestión de Procesos

• Taxonomía de los procesos:

– Niveles de granularidad.

– Congelación de procesos (persistencia). – Migración de procesos (estado/código).

• Planificación de procesos:

– Planificación interna: Procesos y threads. – Planificación global.

– Migración y equilibrado de carga.

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Servicio de Seguridad

Tipología de los ataques:

– Privacidad y confidencialidad. – Autenticación (spoofing).

– Denegación de servicio.

Modelos y herramientas de seguridad:

– Cifrado: clave pública (RSA) y privada (DES). – Protocolos de seguridad: IPsec, SSL.

– Certificados y firmas digitales: X.509. – Elementos de seguridad: Firewalls.

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Notación

La asignatura tiene dos partes:

– Parte de la asignatura dependiente de “ciertas“ tecnologías:

• API de sockets. • RPCs.

• CORBA. • DCOM.

• Java: RMI, EJB y Jini.

– Parte de la asignatura independiente de tecnologías:

• Conceptos. • Técnicas. • Algoritmos.

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43 43

Notación y Formalismos

• Objetivo de la notación: No atar ninguna solución a una

tecnología concreta.

• Notaciones y formalismos usados:

– Pseudocódigo: Algoritmos y ejemplos.

– Objetos: Escenarios de interacción, patrones distribuidos. – Formalismos matemáticos: Seguridad, sincronización. – Metodologías y arquitecturas: Nomenclatura y semántica.

• Se optará por el más apropiado en cada caso.

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Wrapper Facade

Patrón de diseño que encapsula los factores y características

dependientes de las APIs de desarrollo del sistema operativo o

tecnología usada. [SSR00]

Escenario:

Aplicación API FunciónA API FunciónB API FunciónC Wrapper Facade Datos método1() ... metodoN() método1(){ funciónA(); funciónB(); } método1(){ funciónA(); funciónB(); } métodoN(){ funciónC(); } métodoN(){ funciónC(); } llamadas llamadas llamadas llamadas

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Wrapper Facade

Ejemplo:

– Semáforo genérico. Protege un región de exclusión mútua – acquire(): entrada en la región. – release(): salida de la región. – Implementación: Depende del SO.