Wady mechanizmów

niskopoziomowych

Ingerencja w kod systemu operacyjnego (przerwania)

Programowanie na niski poziomie (instrukcje specjalne)

Trudności implementacyjne (alg. Dekkera zależny od liczby synchronizowanych procesów)

Mechanizmy wysokopoziomowe

użyteczne w programowaniu

współbieżnym

Mechanizmy synchronizacji

semafory

rejony krytyczne

monitory

Mechanizmy synchronizacji i komunikacji

spotkania symetryczne i asymetryczne

przestrzenie krotek

potoki, komunikaty i kanały

Pojęcie semafora

Dijkstra (1965r.)

Definicja abstrakcyjnego typu danych wraz z

operacjami umożliwiającymi wstrzymywanie i

wznawianie procesów:

określenie stanu początkowego

podniesienie semafora (signal(s), V(s))

opuszczenie semafora (wait(s), P(s))

Operacje niepodzielne – w danej chwili może

być wykonywana tylko jedna z nich.

Typy semaforów

Propozycje Dijkstry:

semafor ogólny

semafor binarny

Późniejsze rozszerzenia:

semafor uogólniony

semafor dwustronnie ograniczony

Definicja semafora

Zmienna całkowita z wyróżnionymi operacjami:

• podniesienia semafora (signal(s)): s:=s+1

• opuszczenia semafora (wait(s)): czekaj na (s>0); s:=s-1

Definicja nie gwarantuje, że wszystkie procesy zostaną kiedyś wznowione.

„Praktyczna” definicja

operacji na semaforze

Opuszczenie semafora (wait(s))

• jeżeli s>0, to s:=s-1

• jeśli s=0, to wstrzymaj proces wywołujący operację;

Podniesienie semafora (signal(s))

• jeżeli istnieją procesy wstrzymane przez opuszczony semafor s, to wznów jeden z nich

• jeśli nie, to s:=s+1;

Założenia dodatkowe

wait i signal to jedyne dozwolone operacje na semaforze

w szczególności zabronione jest testowanie wartości s i jej zmiana (z wyj. ustawienia początkowego)

operacje te są pierwotne – wykluczają się nawzajem; jeśli wywołane są równocześnie, zostaną wykonane jedna po drugiej (nie wiadomo w jakiej kolejności)

algorytm wyboru procesów wznawianych nie powinien powodować zagłodzenia żadnego z oczekujących procesów (cecha uczciwości)

„Praktyczna” definicja

semafora binarnego

Opuszczenie semafora (wait(s))

• jeżeli s=1, to s:=0

• jeśli s=0, to wstrzymaj proces wywołujący operację;

Podniesienie semafora (signal(s))

• jeżeli istnieją procesy wstrzymane przez opuszczony semafor s, to wznów jeden z nich

• jeśli nie, to s:=1;

Wzajemne wykluczanie

Program wykl_sem;

var s (*binarny*): semaphore

procedure p1;

begin

repeat

wait(s);

kryt1;

signal(s);

lok1;

forever

end;

... p2 analogicznie

begin (program główny)

s:=1;

cobegin

p1;p2;

coend

end.

Analiza modelu igloo

Podobne do rozwiązania ze zmienną-kluczem

Testowanie i zerowanie semafora w funkcji pierwotnej

wait(s) – brak problemów z blokowaniem się nawzajem.

Problem producenta-

konsumenta(1)

Konieczność zapewnienia producentowi miejsca na zapamiętanie danych do chwili ich skonsumowania przez konsumenta.

Wariant z buforem nieograniczonym

- semafor s jako licznik zliczający różnicę między ilością porcji włożonych do bufora, a pobranych z niego (s=in-out).

repeat

produkuj rekord v;

b[in]:=v;

in:=in+1;

forever

repeat

wait until in>out;

w:=b[out];

out:=out+1;

konsumuj rekord w;

forever

Modelowanie procesów

współbieżnych 12

Kod

Program pr-kon-sem;

var n: semaphore;

procedure producent;

begin

repeat

produkuj;

włóż; *

signal(n);

forever

end;

procedure konsument;

begin

repeat

wait(n);

pobierz; *

konsumuj;

forever

end;

begin (* program główny

*)

n:=0;

cobegin

producent;

konsument;

coend

end.

* włóż i pobierz – pewne

abstrakcyjne operacje na buforze

Modyfikacja rozwiązania

Założenie: instrukcje włóż i pobierz stanowią strefy krytyczne.

Konieczność użycia dwóch semaforów:

- ogólnego n (zlicza ilość elementów bufora)

- binarnego s dla uzyskania wzajemnego wykluczania operacji na buforze.

Modelowanie procesów

współbieżnych 14

Kod

Program pr-kon-sem;

var n: semaphore;

s: (*binary)

semaphore;

procedure producent;

begin

repeat

produkuj;

wait(s);

włóż;

signal(s);

signal(n);

forever

end;

procedure konsument;

begin

repeat

wait(n);

wait(s);

pobierz;

signal(s);

konsumuj;

forever

end;

begin (* program główny

*)

n:=0;

s:=1;

cobegin

producent;

konsument;

coend

end.

Modelowanie procesów

współbieżnych 15

Kod

procedure konsument;

begin

repeat

wait(s);

wait(n);

pobierz;

signal(s);

konsumuj;

forever

end;

Ważna kolejność operacji wait i signal dla poszczególnych semaforów (wartości zmiennych można testować tylko w instrukcjach wait, co może powodować zawieszenie niektórych procesów)

Przykładowo zmiana kolejności operacji wait w procedurze konsumenta może prowadzić do blokady systemu

(gdy konsument wykona procedurę przy n=0)

Problem producenta-

konsumenta(2)

Wariant z buforem ograniczonym:

- bufory cykliczne – indeksy tablicy obliczane modulo jej długość

- bufory zwielokrotnione – dwa podobne bufory, z których jeden jest aktualnie zapewniany przez programistę, a drugi opróżniany przez konsumenta

Rozwiązanie semaforowe:

- semafor ogólny n zlicza włożone do bufora elementy

- semafor ogólny e zlicza puste miejsca w buforze

- semafor binarny s zapewnia wzajemne wykluczanie

Modelowanie procesów

współbieżnych 17

Kod

Program pr-kon-ogr;

const rozmiarbufora=...;

var n: semaphore;

e: semaphore;

s: (*binary) semaphore;

procedure producent;

begin

repeat

produkuj;

wait(e);

wait(s);

włóż;

(*kryt*)

signal(s);

signal(n);

forever

end;

procedure konsument;

begin

repeat

wait(n);

wait(s);

pobierz; (*kryt*)

signal(s);

signal(e);

konsumuj;

forever

end;

begin (* program główny *)

n:=0;s:=1;e:=rozmiarbufora;

cobegin

producent;

konsument;

coend

end.

Rozszerzenia definicji(1)

Semafor dwustronnie ograniczony

- nie może przyjmować wartości ujemnych oraz nie może przekroczyć pewnej dodatniej wartości.

Symetria operacji podnoszenia i opuszczania:

jeżeli S=0 (S=N) to wstrzymaj działanie procesu wykonującego tę operację; jeśli nie, to jeśli są procesy wstrzymane w wyniku podnoszenia (opuszczania) semafora, to wznów jeden z nich, jeśli nie, to s:=s-1 (s:=s+1)

Klasyczny semafor w dowolnej interpretacji też jest ograniczony od dołu

Rozszerzenia definicji(2)

Semafor uogólniony

- wartość semafora może być zmieniana o dowolną wartość naturalną.

Operacja opuszczania (wait(s,n)):

jeżeli s>=n, to s:=s-n; w przeciwnym razie to wstrzymaj działanie procesu wykonującego tę operację;

Operacja podnoszenia (signal(s,n)):

jeśli są procesy wstrzymane w wyniku opuszczania semafora wait(s,m), to wznów jeden z nich i s:=s-m+n; jeśli nie, to s:=s+n

Zasadnicze cechy

semaforów

Eleganckie narzędzie synchronizacji

Słaba czytelność programów

Podatność na błędy – zmiana kolejności wykonywanych instrukcji może prowadzić do zawieszenia procesów, a także systemu operacyjnego.

Regiony krytyczne

Przemodelowanie operacji semaforowych w kierunku strukturalizacji.

Konieczność stworzenia instrukcji obejmującej sekcję krytyczną. Dla sekcji należy zapewnić wzajemne wykluczanie. Służy ona do wykonania operacji na pewnym zasobie (zmiennej); niedopuszczalne jest operowanie na zmiennej poza sekcją krytyczną.

Struktura regionu krytycznego

Zmienna dzielona – obiekt typu T, na którym są wykonywane operacje

wewnątrz sekcji krytycznej

var v: shared T;

Instrukcja regionu krytycznego – instrukcja strukturalna tworząca sekcję

krytyczną dla instrukcji I1,...,IN wiążąca ją ze zmienną v

region v do I1,...,IN end

Założenia:

wewnątrz związanych ze sobą regionów krytycznych może

pracować tylko jeden proces

skończony czas przebywania procesu w regionie

wejście do regionu musi być udostępnione dowolnemu procesowi

w skończonym czasie

Przykład – synchronizacja

dostępu do zasobów

var R: shared resource;

procedure pp;

begin

repeat

lok1;

region R do

request R;

hold(t);

release R;

end;

lok2;

forever

end;

procedure process(1..N)

pp;

end;

begin (* program główny *)

cobegin

process(1);

...

process(N);

coend

end.

Warunkowe rejony krytyczne

var R: shared resource;

...

region R do

I1; I2;...;await W1

...

Ii; Ii+1;...;await Wj

...

IN-1;IN

end;

Uzupełnienie r.k. o prostą komunikację

między procesami

Wśród instrukcji wewnątrz regionu

dowolną ilość razy może wystąpić instrukcja synchronizacji await

Jeśli warunek Wi jest spełniony, proces

przechodzi do wykonania następnej

instrukcji;

jeśli nie, zostaje zawieszony do czasu

spełnienia warunku z jednoczesnym

zwolnieniem dostępu do sekcji

krytycznej

uproszczenie implementacji

mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia blokady i zagłodzenia

Monitory

Rozwinięcie (uogólnienie) mechanizmu regionów krytycznych

Zebrane w jednej konstrukcji programowej wyróżnione zmienne oraz

procedury i funkcje na nich operujące;

część procedur jest udostępniana na zewnątrz monitora – jest to

jedyny sposób dostępu do zmiennych monitora dla procesów

Wykonanie procedury monitora jest sekcją krytyczną wykonującego

go procesu

Możliwość wstrzymywania i wznawiania procesów wewnątrz

procedury monitorowej – zmienne typu condition, operacje

wait(c) – wstrzymanie procesu wykonującego operację i

wstawienie go na koniec kolejki związanej ze zmienną c (z

jednoczesnym zwolnieniem monitora)

signal(c) – wznowienie pierwszego procesu wstrzymanego w

kolejce związanej z c; jeżeli nie jest to ostatnia operacja

procedury monitorowej, proces wywołujący czeka na

zwolnienie monitora przez proces wznowiony (struktura stosu)

Przejście przez monitor

Procedure P(x:real);

begin

...

wait(c);

...

signal(c);

...

end;

M.P(y)

Process A Monitor M

1

2

3

1 – procesy oczekujące na wejście

2 – oczekujące na c

3 – wstrzymane przez signal(c) (stos)

Ograniczenia monitorów

Jeśli każdy z wstrzymanych procesów czekałby na inną wartość zmiennej c, dla każdej z tych wartości powinno się zaimplementować oddzielną kolejkę.

Rozwiązania:

- dynamiczna struktura „pamiętająca” potrzeby każdego z procesów

- dwie „podkolejki” – w pierwszej tylko jeden proces, wykorzystanie zmiennej pomocniczej przechowującej warunek żądany

- przerzucenie sprawdzania wartości monitora na procesy czekające – ginie kolejność wstrzymywanych procesów

Problem producenta i konsumenta

Program prodkons;

const rozmiarbufora=...;

monitor bufor;

b:array[0..rozmiarbufora] of integer;

in,out,n:integer;

procedure włóż(var v:integer)

begin

if n=rozmiarbufora+1 (*bufor pełny*)

then „czekaj aż nie będzie pełny”;

b[in]:=v;

in:=in+1;

if in=rozmiarbufora+1 then in:=0;

n:=n+1;

„zasygnalizuj, że bufor nie jest pusty”

end;

wait(n<rozmiarbufora)

signal(n!=0)

Kod monitora cd.

procedure pobierz(var v:integer)

begin

if n=0 (*bufor pusty*)

then „czekaj, aż nie będzie pusty”;

v:=b[out];

out:=out+1;

if out=rozmiarbufora+1 then out:=0;

n:=n-1;

„zasygnalizuj, że bufor nie jest pełny”;

end;

begin (*treść monitora*)

in:=0; out:=0; n:=0;

end;

wait(n!=0)

signal(n<rozmiarbufora)

Kod producenta i konsumenta

procedure producent;

var v:integer;

begin

repeat

produkuj(v);

włóż(v);

forever

end;

procedure konsument;

var v:integer;

begin

repeat

pobierz(v);

konsumuj(v);

forever

end;

begin (*program główny*)

cobegin

producent;

konsument;

coend

end.