オペレーティングシステムセマフォ wait 命令(p 命令) 資源を要求,...

オペレーティングシステム第第6回

プロセス間通信プロセス間通信

http://www.info.kindai.ac.jp/OS38号館4階N-411 内線5459

takasi-i@info kindai ac [email protected]

臨界領域臨界領域(critical section, critical region)( , g )

臨界領域(critical section, critical region)逐次的資源を使用しているプロセスの部分

プロセス1 プロセス2

y := input();1

プロセス1

if (z ≠ 0)i ( )

プロセス2

y := y +1;x := x +1;

print (z);x := x +2; 臨界領域

臨界領域に入るときは他のプロセスが逐次的資源を使わないように他のプロセスが逐次的資源を使わないように資源を占有する必要がある

相互排除排他制御相互排除, 排他制御(mutual exclusion, exclusive control)( , )相互排除(mutual exclusion), 排他制御(exclusive control)ある資源を高々1つのプロセスが占有するようある資源を高々1つのプロセスが占有するようにする

あるプロセスが資源を使用しているときは他あるプロセスが資源を使用しているときは、他のプロセスは資源が解放されるまで待つ

資源プロセス1

使用

プロセス2プロセス1 プロセス2

相互排除

ソフトウェアによる相互排除

相互排除アルゴリズムを使用

ハードウェアによる相互排除ハドウェアによる相互排除

機械語命令 Test and Set を使用

割込み禁止による相互排除

割込み禁止命令を使用割込み禁止命令を使用

セマフォによる相互排除

モニタによる相互排除

セマフォ(semaphore)

セマフォ(semaphore) プロセス間同期機構

Dijkstra が提案 Dijkstra が提案

セマフォ = 腕木式信号機“進め”(Passeren)と“止まれ”(Verhoog)の2つの信号を出す進め止まれ進め止まれ

セマフォ

セマフォ

進め

資源

進め

セマフォ

資源止まれ

資源にアクセスしているプロセスがいるときは止まれ

“止まれ”になる

セマフォ

wait 命令 (P 命令)資源を要求, 許可されない場合はブロック状態へ移行し待ちキューに加える

signal命令 (V 命令)資源を解放待ちキ内のプロセスの1つを資源を解放, 待ちキュー内のプロセスの1つを実行可能状態へ

変セマフォ変数

空いている資源の数を示す空てる資源の数を示す

1以上のとき wait 命令で資源を確保できる

セマフォセマフ変数セマフォ変数

(空いている資源の数)wait命令

プロセス1 21wait命令

0

資源プロセス2

命

プロセス3資源wait命令

ブロック状態

待ちキュープロセス3

セマフォセマフ変数セマフォ変数

(空いている資源の数)signal命令

プロセス1 0

資源プロセス2

資源

プロセス3ブロック状態

待ちキュープロセス3

セマフォit命令 i l命令wait命令

資源を要求、許可されない場合は

signal命令資源を解放、待ちキュー内のプロセスの1つを許可されない場合は

待ちキューに加える

if ( s > 0 ) {

待ちキュー内のプロセスの1つを実行可能状態へ

if ( |Qs| ≧1 ) {if ( s > 0 ) {s := s - 1;

} else {

if ( |Qs| ≧1 ) {Qs内のプロセスを

1つ実行可能状態へ;} else {ブロック状態に移行し

待ちキューQsに加える;

1つ実行可能状態へ;} else {

s := s + 1;待ちキューQsに加える;}

s := s + 1;}

wait 命令, signal 命令は不可分な(割込みされない)操作test&set 命令で実現

セマフォを用いた相互排除

semaphore s := 1; /* 資源数 1 */

wait(s);wait(s);CS(); /* 臨界領域 */signal(s);signal(s);NCS(); /* 非臨界領域 */

臨界領域の前後を wait 命令と signal 命令で挟む

強いセマフォ, 弱いセマフォ

強いセマフォ

wait 命令によりブロック状態となるプロセスはFIFO 方式で実行可能状態に復帰する

弱いセマフォ

it 命令によるブロック状態となるプロセスの wait 命令によるブロック状態となるプロセスの復帰順序は決められていない

プロセス1

プロセス2

待ちキュー

プロセス2 プロセス1 プロセス3wait①

wait②

プロセス2

プロセス3

プロセス2 プロセス1 プロセス3wait①

wait③強いセマフォ

プロセス間通信プロセス間通信(Inter-Process Communication)( )

プロセス間通信(Inter-Process Communication) プロセス間で同期を取る

プロセス間でメッセージを交換するプロセス間でメッセジを交換する

プロセス1

同期

プロセス1

メッセジ交換

プロセス2

同期

プロセス2

メッセージ交換

プロセス間通信とメモリ方式

メモリ

共有領域

メモリ

共有領域

プロセス1

1書き込み

プロセス1

プロセス1

プ

1読み込み

送信

プロセス2プロセス21

送信


共有領域を用いた通信占有領域を用いた通信

通信方式とメモリ型

共有メモリプロセス

メモリ

プロセス

メモリネトワク

プロセスプロセスプロセスプロセス

リリネットワーク

プロセスプロセスプロセス

メモリ

プロセス

メモリ

共有メモリ型分散メモリ型

プロセス間通信

プロセス間通信有をな期共有メモリを用いない同期手法

プロセス間通信の長所長プロセス間の独立性

実現が容易実現が容易

プロセス間通信の短所プログラムの複雑化デバグの困難化プログラムの複雑化, デバグの困難化


送信, 受信(send, receive)送 , 受 ( , )

送信(send)指定した宛先へメッセージを送る

受信(receive)受信(receive)指定した送信元からのメッセージを受け取る

send (destination, message_list);

variable_list := receive (source);


送信, 受信送 , 受送信側プロセス受信側プロセス

(source) (destination)M1 M2 M3メッセージリスト変数リスト

send (destination, message_list); variable_list := receive (source);

M1 M2 M3M1 M2 M3メッセジリスト変数リスト M1 M2 M3

送信側メッセージ

受信側メッセージ

M1 M2 M3 M1 M2 M3

メッセジバッファ

メッセジバッファ

ネットワークM1 M2 M3

同期通信ブロッキング型同期通信, ブロッキング型(synchronous communication, blocking)( y , g)

同期通信(synchronous communication), ブロッキング型(blocking)送信側は受信側が受信するまで待つ送信側は受信側が受信するまで待

送信側

send receiveブロック状態

送信側

受信側受信側

同期通信

非同期通信ノンブロッキング型非同期通信, ノンブロッキング型(asynchronous communication, nonblocking)( y , g)

非同期通信(asynchronous communication), ノンブロッキング型(nonblocking)送信側は受信側の受信を待たない送信側は受信側の受信を待たない

送信側

send receive実行可能状態

受信待機型

送信側

受信側受信側

非同期通信受信無待機型

同期通信・非同期通信の同期通信・非同期通信の長所と短所長所と短所

長所短所

同期相手に届いたことが確認

• 相手の受信完了まで待つ必要がある

相手が止まると自分も動同期通信

• 相手に届いたことが確認できる

• 相手が止まると自分も動けない

⇒一定時間返事が無けれ⇒ 定時間返事が無ければ通信を打ち切る

• 相手の受信を待たなくて相手に届いたかどうかわ

非同期通信

相手の受信を待たなくていい

• 相手が止まっても自分は

• 相手に届いたかどうかわからない

⇒受信完了の通知が必要動ける

⇒受信完了の通知が必要

プロセスの同期プロセスの同期(synchronization)( y )

プロセスの同期(synchronization)協同して動くプロセス群が足並みを揃えるために互いの実行状況を確認する同期地点まで

プロセス1 同期ブロック状態

プロセス2

同期地点まで来ました

プロセス1

プロセス2

ブロック状態

プロセス2

全てのプロセスが同期地点に同期地点

同期地点

到達すれば先に進める

プロセスの同期プロセスの同期

事象の連絡象

通知(notify)同期を取る相手のプロセスに同期ポイントまで来たことを知らせる

待ち(wait)同期を取る相手のプロセスが同期ポイントに同期を取る相手のプロセスが同期ポイントに来るまで待つ


事象の連絡象通知実行中/実行可能状態

待ちブロック状態

通知が来るまでブロック状態

通知が来れば実行可能状態に

プロセス1

通知

プロセス2

通知


事象の連絡象通知実行中/実行可能状態

待ちブロック状態


プ

通知

プロセス2

すでに通知が来ているのですでに通知が来ているのでそのまま実行継続


パイプ処理

パイプ(pipe) システムコールで作られるプロセス間連絡路

(実際はメモリで実現される)( )

プロセス1 出力パイププロセス2入力

パイプ

プロセス1 出力パイププロセス2入力

$ ls -l | less ls -l の出力が less の入力となる

パイプ


パイプ処理メモリ

パイプ用領域

プロセス1がメモリのパイプ用領域に領域書き込み, プロセス2がそれを読み出す

プロセス1 プロセス2

書き込み読み出し


パイプ処理書き込み実行中/実行可能状態

読み出しブロック状態


プ

書き込み

プロセス2

メモリリ



メモリがいっぱいなので


プロセス1

メリがいっぱいなのでブロック状態に移行

プロセス1

プ

書き込み

プロセス2

メモリリ




書き込まれるまでブロック状態

書き込まれれば実行可能状態に

プロセス1

書き込み

プロセス2

書き込み

メモリ

リングバッファ式パイプ処理

リングバッファ

送信側受信側mes_Ames Bmes_Ames B

01

プロセスプロセス

バッファカウンタバッファカウンタ

mes_Bmes_Cmes_B1

23

0

バッファカウンタ

0


123 12345

バッファに書き込む度にバッファから読み出す度にッァ書込度カウンタの値を増やすカウンタの値を増やす



mes_Ames B送信側受信側mes_G0

1 mes_Bプロセスプロセス

バッファカウンタバッファカウンタ D

12 mes_C3

2


34501mes_Dmes_E

34

バッファの末尾まで行くと先頭に戻る

mes_F5

バッファの末尾まで行くと先頭に戻る



mes B送信側受信側mes H0 mes_G1

mes_Cmes_B



mes_Hmes_I

123 D

2


1233 mes_D4 mes_E5 mes_F

バッファがいっぱいのときに送信するとバッファがいっぱいのときに送信すると受信側が未読のメッセージを上書きしてしまう



送信側受信側0 mes_G1 mes H

mes_Gmes H

01



1 mes_H2 mes_C3 D

mes_H123

5


23 mes_D4 mes_E34 0123

5 mes_F

バッファが空のときに受信すると

mes_F5

バッファが空のときに受信すると既読のメッセージを再読み出ししてしまう

セマフォを用いたパイプ処理semaphore : N; /* 空きバッファ数 */semaphore s := N; /* 空きバッファ数 */semaphore m := 0; /* メッセージ数 */Message Buffer[N]; /* メッセジバッファ */Message Buffer[N]; /* メッセージバッファ */

i t i 0 i t j 0送信側受信側

int i := 0;while (true){

d の生成

int j := 0;while (true){

it ( )send_msg の生成;wait (s);B ff [i] d

wait (m);recv_msg := Buffer[j];i l ( )Buffer[i] := send_msg;

signal (m);i (i + 1) d N

signal (s);j := (j + 1) mod N;

の処理i := (i + 1) mod N;}

recv_mes の処理;}

セマフォを用いたパイプ処理空きバ数ジ数

リングバッファ6s 0m5 14 23 34 25 1空きバッファ数メッセージ数

送信側受信側mes_Ames Bmes_Ames B

01



mes_Bmes_Cmes_B1

23

0


0


123 1234i j5

送信前に s を減らし受信前に m を減らし送信前に s を減らし送信後に m を増やす受信後に s を増やす


リングバッファ1s 5m空きバッファ数メッセージ数

0 6

mes B送信側受信側mes H0 mes_G1

mes_Cmes_B



mes_H123 D

2


123 mes_D4 mes_Ei j5 mes_F

s が 0 なので送信は拒否されるs が 0 なので送信は拒否される


リングバッファ5s 1m空きバッファ数メッセージ数

6 0

送信側受信側0 mes_G1 mes Hmes H01



1 mes_H2 mes_C3 D

mes_H123

1


23 mes_D4 mes_E34 2i j5 mes_F5

m が 0 なので受信は拒否されるm が 0 なので受信は拒否される

リーダライタ問題

データベースに対する操作

複数のリーダ(読み手)とライタ(書き手)がいる

読み: 複数のリーダが同時に読み込み可能読み: 複数のリダが同時に読み込み可能

書き: ライタの書き込み中は他のリーダの読み込み他のライタの書き込みは不可み込み, 他のライタの書き込みは不可

リーダライタ

データベース

リダ

リーダ

ライタ

ライタ

リーダライタ

リーダライタ問題semaphore : 1;

リーダ

semaphore w := 1;semaphore m := 1;int r : 0;

while (true){wait (m);

int r := 0; if (r = 0) wait (w);++r;ライタ

while (true){write data の生成;

signal (m);read_data := read();write_data の生成;

wait (w);write (write data);

wait (m);--r;write (write_data);

signal (w);}

if (r = 0) signal (w)signal (m);

処}

read_data の処理;}

セマフォの問題点


wait 命令と signal 命令の順序を間違え易い

signal(s);CS();

wait(s);CS();CS();

wait(s);NCS();

CS();wait(s);NCS();NCS(); NCS();

CSが保護されないデッドロックとなるCSが保護されないデッドロックとなる



wait 命令と signal 命令の順序を間違え易い

条件文などで wait, signal 命令を飛び越してしまう

wait, signal 命令がプログラム内に分散しデバグが困難になる

wait 命令時にセマフォの値が 0 だとデッドロック

複数のセマフォのうち 1 つを持つことができない複数のセマフォのうち 1 つを持つことができない

セマフォを必要としないプロセスにもセマフォが見えてしまうえてしまう

モニタ(monitor)

モニタ(monitor) B.Hansen と Hoare が提案

共同資源とそれに対する操作の一体構造共同資源とそれに対する操作の体構造

オブジェクト指向

J の同期機構にも採用 Java の同期機構にも採用

モニタの概念

局所変数はモニタ内部からのみアクセス可能

モニタへのアクセスはメソッド呼び出しのみ可能

wait, signal 命令はモニタ内部でのみ使用可能, g 命令部使(外部からの使用はメソッド呼び出しのみ)同時にモニタを操作できるのは1プロセスのみ同時にモニタを操作できるのは1プロセスのみ

⇒自動的に排他制御が行われる

セマフォのように wait, signal 命令がプログラム中に散らばることが無い

資源へのアクセスがモニタ内部で完結

条件変数

条件変数

プある条件が成立するまでプロセスを待機させる

条件変数の操作

wait 待ち状態に

signal 待ち状態にあるプロセスのうち1つを実行可能に

queue 待ち状態のプロセスの有無を返す

モニタを用いたパイプ処理

monitor {

(変数宣言部)

monitor {private condition empty, full ; /* 条件変数 */private int i ; /* バッファへの次の書き込み位置 */p ; 書置

private int j ; /* バッファからの次の読み出し位置 */private int m ; /* バッファ中のメッセージ数 */private Message Buffer[N]; /* バッファ */

(次へ続く)

変数は全て private 変数

モニタを用いたパイプ処理(メソッド部)public void put (Message msg) { /* バッファへの書き込み */

if (m ≧ N) full.wait; /* バッファがいっぱいなら待つ */B ff [i] i (i +1) d N ++ /* 書き込み */Buffer[i] := msg; i := (i +1) mod N; ++m; /* 書き込み */empty.signal;

}}

public Message get() { /* バッファからの読み出し */public Message get() { / バッファからの読み出し /if (m = 0) empty.wait; /* バッファが空なら待つ */msg := Buffer[j]; j := (j +1) mod N; --m; /* 読み出し */msg : uffe [j]; j : (j ) od N; m; / 読み出し /full.signal;return msg; 資源を使用するプロセスはg

}}

資源を使用するプロセスはput(), get() を呼び出すだけでいい

モニタを用いたパイプ処理

while (true){

送信側

while (true){send_msg の生成;monitor put (send msg);monitor.put (send_msg);

}受信側

while (true){

受信側

セマフォ変数や( ){

recv_msg := monitor.get();recv mes の処理;

セマフォ変数やwait, signal 命令を扱わなくていい

_ 処 ;} 扱わなくていい

セマフォとモニタ

セマフォ

wait 命令でしか資源の有無がわからない

資源が無かった場合は強制的に待ち状態資源が無かった場合は強制的に待ち状態

java 等では try&wait 命令が実装資源を獲得できれば true を、できなければ false を返す資源を獲得できれば true を、できなければ false を返す

モニタ

資源の有無を命令で調べられる資源の有無を queue 命令で調べられる

⇒資源が無い場合に待ちに入るか選択できる

セマフォとモニタ

セマフォモニタ

B Hansen(1973)提案者 Dijkstra(1965)

B.Hansen(1973)Hoare(1974)

形態手続き

(サブルーチン)構造化

(オブジェクト指向)(サブルチン) (オブジクト指向)

可読性/保守性低高

提供形態ライブラリ等言語仕様の一部

対応言語多少(Java)

Java でのセマフォ使用

Semaphore クラスを使用

java.util.concurrent.Semaphoreコンストラクタコンストラクタ

it 命令public Semaphore (int permit) /* permit : 資源数 */

wait 命令

public void acquire ()

signal 命令

throws InterruptedExeptionsignal 命令

public void release ()

import java.util.concurrent.Semaphore;l S h S l {class SemaphoreSample {

/* セマフォ変数の生成 */S h S h (5) // 資源数5Semaphore s = new Semaphore (5); // 資源数5

/* セマフォ変数の i 命令 *//* セマフォ変数への wait 命令 */try {

i ()s.acquire();} catch (InterruptedException e) {

S t it(1)System.exit(1);}

/* セマフォ変数への signal 命令 */l ()s.release();

}

Java でのモニタ使用

Synchronized 文を使用

Synchonized (Expression)ブ/* Expression : ロックオブジェクト */

Block /* このブクは1スレドしか入れない *//* このブロックは1スレッドしか入れない */

class MonitorSample {/* モニタ変数の生成 */private m = 5; // 資源数5Object Lock = new Object(); /* ロックオブジェクト */

タ変数ド/* モニタ変数への wait メソッド */void wait () {

hil (t ) {while (true) {Synchronized (Lock) {

if (m>0) { この中はif (m>0) {--m;return;

この中へは1スレッドしか入れない

return;}

}

入れない

}しばらく待つ;}

}}

参考 : セマフォを用いた参考 : セマフォを用いた相互排除プログラム(java)相互排除プグラム(java)

SemaphoreMutex.java セマフォを用いた相互排除アルゴリズムを繰り返す(資源数2)( )

http://www.info.kindai.ac.jp/OS からダウンロードし、各自実行してみること

参考 : セマフォを用いた参考 : セマフォを用いた相互排除プログラム(java)実行例相互排除プグラム(java)

$ javac SemaphoreMutex.java

実行例

CSに入れるのは同時には2つまでj p j

$ java SemaphoreMutex1 : CS begin

同時には2つまで

0 : CS begin1 : CS end0 : CS begin1 : CS end0 : CS begin0 : CS end0 : CS end

セマフォ変数(空いている資源数)の値

参考 : セマフォを用いた参考 : セマフォを用いたパイプ処理プログラム(java)パイプ処理プグラム(java)

SemaphorePipe.java セマフォを用いたパイプ処理アルゴリズムを繰り返す(バッファサイズ4)( )


参考 : セマフォを用いた参考 : セマフォを用いたパイプ処理プログラム(java)実行例パイプ処理プグラム(java)

$ javac SemaphorePipe.java

実行例

j p p j$ java SemaphorePipeb[0] ← ‘o’

b[0] → ‘o’b[1] ← ‘m’[ ]b[2] ← ‘s’b[3] ← ‘a’[ ]

b[1] → ‘m’b[2] → ‘s’b[2] → s

読み/書きを行ったバッファの位置

参考 : モニタを用いた参考 : モニタを用いた相互排除プログラム(java)相互排除プグラム(java)

MonitorMutex.java モニタを用いた相互排除アルゴリズムを繰り返す(資源数2)( )


参考 : モニタを用いた参考 : モニタを用いたパイプ処理プログラム(java)パイプ処理プグラム(java)

MonitorPipe.java モニタを用いたパイプ処理アルゴリズムを繰り返す(バッファサイズ4)( )


中間試験試験日 : 11月18日(月)試験日 : 11月18日(月)試験時間 : 60分試験範囲 : 第1～7回配点 30点満点配点 : 30点満点

持ち込み : 可ただし外部とのネットワーク接続は不可

オペレーティングシステムセマフォ wait 命令(p 命令) 資源を要求,...

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