Processi e Thread Meccanismi di IPC Problemi classici

Processi e Thread Meccanismi di IPC Problemi classici di IPC 1

Comunicazioni fra processi/thread • Processi/thread eseguiti concorrentemente hanno bisogno di interagire per comunicare e sincronizzarsi : – scambiare dati – utilizzare correttamente strutture dati condivise – eseguire azioni nella sequenza corretta • Molti meccanismi proposti • Per semplicità ci riferiremo principalmente ai processi – maccanismi simili sono disponibili per i thread 2

Comunicazioni fra processi Race Condition (Interferenza) Due processi accedono alla memoria condivisa contemporaneamente l’esito dipende dall’ordine in cui vengono eseguiti gli accessi 3

Sezioni/Regioni Critiche (1) Regione Critica : porzione di un processo che accede a strutture dati condivise – punti potenziali di interferenza Obiettivo : fare in modo che le regioni critiche di due processi non vengano mai eseguite contemporaneamente (mutua esclusione) 4

Sezioni/Regioni Critiche (2) 4 condizioni per assicurare la mutua esclusione l l un solo processo per volta esegue la sezione critica non viene fatta nessuna assunzione sulla velocità relativa dei processi nessun processo che sta eseguendo codice esterno alla sezione critica può bloccare un altro processo nessun processo attende indefinitamente di entrare nella sezione critica 5

Sezioni/Regioni Critiche (3) Mutua esclusione con sezioni critiche 6

Mutua Esclusione con attesa attiva (busy waiting) (1) • Disabilitare le interruzioni – impedisce che un altro processo vada in esecuzione – non utilizzabile in modo utente – utilizzabile per poche istruzioni in modo kernel – non risolve il problema se il sistema ha più di una CPU 7

Mutua Esclusione con attesa attiva (busy waiting) (2) • Soluzioni software – alternanza stretta – soluzione di Peterson • Soluzioni hardware-software – l’istruzione TSL 8

Mutua Esclusione con attesa attiva (3) Alternanza stretta Processo 0 Processo 1 Una soluzione non soddisfacente per il problema della ME – 0 può bloccare 1 quando si trova fuori dalla SC 9

Mutua Esclusione con attesa attiva (4) Soluzione di Peterson (semplificata) 10

Mutua Esclusione con attesa attiva (5) Ingresso ed uscita dalla sezione critica utilizzando l’istruzione TSL 11

Soluzioni senza attesa attiva Le primitive Sleep e Wakeup (1) • Idea di base : un processo viene bloccato finché non è in grado di entrare nella sezione critica (in modo da non sprecare cicli di CPU) • Due primitive realizzate come system call – sleep() : : blocca il processo che la invoca – wakeup(P) : : sveglia il processo P 12

Sol. Errata al problema del produttore–consumatore (con race condition) 13

Semafori (1) • Problema con sleep e wakeup : una wakeup non utilizzata immediatamente viene persa • Semafori : variabili intere – contano il numero di wakeup pendenti – il valore è 0 se non ci sono wakeup pendenti e > 0 altrimenti • Due operazioni atomiche standard Up e Down (P e V) – down(S) • se S > 0 allora S= S - 1 ed il processo continua l’esecuzione • se S==0 ed il processo si blocca senza completare la primitiva – up(S) • se ci sono processi in attesa di completare la down su quel semaforo (e quindi necessariamente S == 0) uno di questi viene svegliato e S rimane a 0, altrimenti S viene incrementato; • in caso contrario (S > 0), allora S=S + 1 14

Semafori (2) Soluzione del Produttore/Consumatore con semafori 15

Mutex (1) • Semaforo con solo due stati aperto (unlocked) o chiuso (locked) • Popolare nei thread user-level • Due primitive : – mutex_lock(), corrisponde alla down() – mutex_unlock(), corrisponde alla up() • Utilizzato per realizzare sezioni critiche su dati condivisi • Puo essere implementato efficientemente senza passare in stato kernel (se è disponibile la TSL) 16

Mutex (2) Implementazione delle primitive di mutex_lock e mutex_unlock 17

Monitor (1) • • Oggetti (Strutture dati + procedure per accedervi) Mutua esclusione nell’esecuzione delle procedure Variabili di Condizione + wait() e signal() wait(X) – sospende sempre il processo che la invoca in attesa di una signal(X) • signal(X) – sveglia uno dei processi in coda su X – se nessun processo è in attesa va persa – deve essere eseguita solo come ultima istruzione prima di uscire dal monitor (il processo svegliato ha l’uso esclusivo del monitor) 18

Monitor (2) Un esempio di monitor 19

Monitor (3) • Schema di soluzione Produttore/Consumatore – ad ogni istante solo una procedura del monitor è in esecuzione – il buffer ha N posizioni 20

Monitor (4) • Caratteristiche principali dei monitor Java – – ME nell’esecuzione dei metodi synchronized non ci sono variabili di condizione wait(), notify() simili a sleep() , wakeup() è possibile svegliare tutti i processi in attesa 21

Monitor (5) Soluzione per Produttore/Consumatore in Java (parte 1) 22

Monitor (6) Soluzione per Produttore/Consumatore in Java (parte 2) 23

Scambio Messaggi (1) • Non richedono accesso a supporti di memorizzazione comune • primitive base – send(destination, &msg) – receive(source, &msg) • decine di varianti, nel nostro caso : – la receive blocca automaticamente se non ci sono messaggi – i messaggi spediti ma non ancora ricevuti sono bufferizzati dal SO 24

Scambio Messaggi (2) Sol. Produttore/Consumatore con N messaggi 25

I filosofi a cena (1) • I filosofi mangiano e pensano • Per mangiare servono due forchette • Ogni filosofo prende una forchetta per volta • Come si può prevenire il deadlock 26

I filosofi a cena (2) Una falsa soluzione al problema dei filosofi 27

I filosofi a cena (3) Una soluzione corretta al problema (parte 1) 28

I filosofi a cena (4) Una soluzione corretta al problema (parte 2) 29

Il problema dei lettori e scrittori (1) • Un database molto esteso (db) – es. prenotazioni aeree … • Un insieme di processi che devono leggere o scrivere in db • Più lettori possono accedere contemporaneamente a db • Gli scrittori devono avere accesso esclusivo a db • I lettori hanno precedenza sugli scrittori – se uno scrittore chiede di accedere mentre uno o più lettori stanno accedendo a db, lo scrittore deve attendere che i lettori abbiano finito 30

Il problema dei lettori e scrittori (2) Una soluzione al problema dei lettori e scrittori 31

Il barbiere sonnolento (1) 32

Il barbiere sonnolento (2) Soluzione al problema del barbiere. 33