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Processi e Thread

Meccanismi di IPC

Problemi classici di IPC

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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

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Comunicazioni fra processiRace Condition (Interferenza)

Due processi accedono alla memoria condivisa contemporaneamente

l’esito dipende dall’ordine in cui vengono eseguiti gli accessi

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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)

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Sezioni/Regioni Critiche (2)

4 condizioni per assicurare la mutua esclusione 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

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Sezioni/Regioni Critiche (3)

Mutua esclusione con sezioni critiche

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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

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Mutua Esclusione con attesa attiva (busy waiting) (2)

• Soluzioni software– alternanza stretta– soluzione di Peterson

• Soluzioni hardware-software– l’istruzione TSL

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Mutua Esclusione con attesa attiva (3)Alternanza stretta

Una soluzione non soddisfacente per il problema della ME– 0 può bloccare 1 quando si trova fuori dalla SC

Processo 0 Processo 1

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Mutua Esclusione con attesa attiva (4)

Soluzione di Peterson (semplificata)

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Mutua Esclusione con attesa attiva (5)

Ingresso ed uscita dalla sezione critica utilizzando l’istruzione TSL

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Soluzioni senza attesa attivaLe 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

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

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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

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Semafori (2)

Soluzione del Produttore/Consumatore con semafori

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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)

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Mutex (2)

Implementazione delle primitive di mutex_lock e mutex_unlock

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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)

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Monitor (2)

Un esempio di monitor

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Monitor (3)

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

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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

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Monitor (5)

Soluzione per Produttore/Consumatore in Java (parte 1)

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Monitor (6)

Soluzione per Produttore/Consumatore in Java (parte 2)

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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

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Scambio Messaggi (2)

Sol. Produttore/Consumatore con N messaggi

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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

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I filosofi a cena (2)

Una falsa soluzione al problema dei filosofi

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I filosofi a cena (3)

Una soluzione corretta al problema (parte 1)

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I filosofi a cena (4)

Una soluzione corretta al problema (parte 2)

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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

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Il problema dei lettori e scrittori (2)

Una soluzione al problema dei lettori e scrittori

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Il barbiere sonnolento (1)

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Il barbiere sonnolento (2)

Soluzione al problema del barbiere.