Koordinering. dopsys

Transkript

1 Koordinering

2 At indføre flertrådethed (1) når tråde tages i brug opstår typisk konflikter (et velkendt eksempel er errno ) 2

3 At indføre flertrådethed (2) en del konflikter kan afhjælpes med thread-local tilstand 3

4 Konflikt: race condition samtidig tilgang til en delt resurse er kernen af disse konflikter eks: to processer leverer samtidigt en fil til udskrift, en tabes 4

5 På vej mod en konfliktløsning.. data Antagelser: 1. Delte data tilgås kun i kritiske regioner (røde områder) 2. Læsning/skrivning af lagerceller sker atomart 3. Processers hastighed kendes ikke (kan være lav!) 4. Processer terminerer kun udenfor kritiske regioner (tænk på fejl!) 5

6 Kritiske regioner kritiske regioner muliggør gensidig udelukkelse, dvs. sekventialisering af aktiviteterne 6

7 Gensidig udelukkelse (mutual exclusion).. kun een proces ad gangen kan udføre kode i en kritisk region: entry kode exit kode data Undgå gensidig blokering (mutual blocking): 1. Processer udenfor kr.reg. må ikke forhindre andre processers adgang 2. En proces der ønsker adgang skal have adgang med tiden (starvation) 3. Processer må ikke gensidigt blokere hinanden (deadlocks) 4. Processer må ikke altid gensidigt udsætte adgang til kr.reg. (livelocks) 7

8 Q/A En kritisk region er associeret med to typer områder i lageret. Beskriv dem (to og to)! 8

9 Gensidig udelukkelse: busy wait Mange teknikker kan give gensidig udelukkelse: man kan forhindre interrupts.. bruge ( lock ) variabler.. gennemtvinge streng alternering.. bruge Petersons algoritme.. udnytte hardware: en TSL-instruktion 9

10 Streng alternering variablen turn styrer hvem der har adgang til sin kritiske region 10

11 Streng alternering Naivt! variablen turn styrer hvem der har adgang til sin kritiske region 10

12 Petersons algoritme 11

13 TSL-instruktionen (1) Test and Set Lock er en atomar instruktion som kan hente indholdet af en lagercelle og derefter skrive 1 deri 12

14 TSL-instruktionen (2) Der findes varianter: x86 bruger XCHG, som atomart bytter indholdet af lagercellen og registeret (faktisk bruges LOCK + *XCHG*) 13

15 Eksempel: Producer-Consumer Begrænset buffer af størrelse n mellem Producer og Consumer: 1. Producer blokerer hvis buffer er fuld. 2. Consumer blokerer hvis buffer er tom... integritet af buffer datastruktur skal sikres. 14

16 Producer-Consumer forsøg... 15

17 Producer-Consumer forsøg sleep();... wakeup(); 15

18 Producer-Consumer forsøg sleep();... wakeup(); NB: Virker ikke!! 15

19 Semaphorer (Dijkstra, 1968).. et ikke-negativt heltal der kan blokere processer: Atomare operationer: up: if anyblocked() then unblockone() else s = s + 1; down: if s > 0 then s = s - 1; else block() Tællesemaphorer: husker antallet af up operationer Binære semaphorer (mutexes): kun værdierne 0 eller 1 mulige.. semaphor-operationer ofte implementeret via systemkald 16

20 Binære semaforer (mutexes) med hjælp fra hardware er implementationen ret enkel 17

21 Gensidig udelukkelse vha mutexes semaphore mutex = 1; while(1) { down(mutex); /* lock */ CriticalSection; up(mutex); /* unlock */ rest_of_program; } 18

22 Eksempel: Producer-Consumer Tællesemaphorer: e antal tomme buffer indgange (blokering af producer). f antal fyldte buffer slots (blokering af consumer). Mutex: b gensidig udelukkelse omkring buffer opdatering. semaphore e = n, f = 0, b = 1; Producer: while (1) { Produce_next_record; down(e); down(b); /* lock */ Add_to_buf; up(b); /* unlock */ up(f); } Consumer: while (1) { down(f); down(b); /* lock */ Take_from_buf; up(b); /* unlock */ up(e); Process_record; } 19

23 [Click] Hvad hvis vi bytter down/lock? A. OK B. Fare for deadlock C. Fare for race condition semaphore e = n, f = 0, b = 1; Producer: while (1) { Produce_next_record; down(e); down(b); /* lock */ Add_to_buf; up(b); /* unlock */ up(f); } Consumer: while (1) { down(f); down(b); /* lock */ Take_from_buf; up(b); /* unlock */ up(e); Process_record; } 20

24 Binære semaforer med pthreads pthreads understøtter binære semaforer; ny operation trylock gør det muligt at fortsætte med andre ting 21

25 Betingelsesvariabler (Condition variables).. hukommelsesløs variant af semaphorer: Atomare operationer: Signal bruges til at sende et signal. Wait bruges til at vente på et signal. signal(c): if anyblocked(c) then unblockone(c) wait(c): block(c).. designet til synkronisering af processer ifm. monitors. condition variable c; p1: p2:... wait(c); signal(c);... 22

26 Betingelsesvariabler (Condition variables).. hukommelsesløs variant af semaphorer: Atomare operationer: Signal bruges til at sende et signal. Wait bruges til at vente på et signal. signal(c): if anyblocked(c) then unblockone(c) wait(c): block(c).. designet til synkronisering af processer ifm. monitors. condition variable c; p1: p2:... wait(c); signal(c);... Farligt hvorfor? 23

27 Betingelsesvariabler med pthreads et nært beslægtet begreb er betingelsesvariabler de muliggør repræsentation af en logisk betingelse; de har ikke hukommelse 24

28 Anvendelse: producer-consumer 25

29 Anvendelse: producer-consumer signal 25

30 Anvendelse: producer-consumer signal wait 25

31 Q/A 26

32 Q/A Hvordan bruges buffer?! 26

33 Monitors (Hoare, 1974).. abstraktionsmekanisme, beskytter tilgang til delte resurser: Monitor komponenter: Data - resursens tilstand Procedurer - tilgang til resursens data. Egenskaber: Tilgang til data kan kun ske via monitor-procedurer. Monitor-procedurer udføres med gensidig udelukkelse. Bagvedliggende begreb: Abstrakte datatyper. Central intuition: at være inde i monitoren eller ej. 27

34 Monitor-erklæring Beslægtet med objekter: indkapslet, da kun monitorprocedurer kan tilgå tilstanden Beskytter sig selv mod konflikter: højst een tråd er i monitoren ad gangen, dvs. gensidig udelukkelse er indbygget 28

35 Monitor eks: Producer-consumer 29

36 Brug af monitor Forløb: Monitor bruges af p 1 og p 2, hvor p 1 kræver betingelse som p 2 skaber 30

37 Brug af monitor x_is_positive Forløb: Monitor bruges af p 1, som udfører et eller andet arbejde og på et tidspunkt kræver at x er ikkenegativ. Men kun g kan sikre dette: wait 31

38 Brug af monitor Forløb: p 1 er i waittilstand, dvs. p 1 er blokeret på betingelsesvariablen x_is_positive 32

39 Brug af monitor x_is_positive Forløb: på et eller andet tidspunkt agerer p 2, og kalder g som sender det ønskede signal 33

40 Brug af monitor Forløb: p 1 modtager signalet og kan fortsætte 34

41 [Click] A. Kun p 1 kan køre B. Kun p 2 kan køre C. Både p 1 og p 2 kan køre, og det er et problem D. Både p 1 og p 2 kan køre, og det er OK E. Det er en fejl at vi overhovedet er kommet i denne situation (hvad har vi glemt?) Forløb: men hvad er situationen nu? 35

42 Synkronisering ved barrierer en barriere er en synkroniseringsmekanisme som tvinger mange processer til at følges ad fra et punkt 36

43 Opsummering Koordinering: Konflikter, kritiske regioner og gensidig udelukkelse Streng alternering, Peterson s algoritme Semaphorer: tælle-semaphorer og binære semaphorer, impl. Betingelsesvariabler Monitors Barrierer 37