Mechanizmy komunikacji. spotkania symetryczne (język CSP) spotkania asymetryczne (Ada) przestrzenie krotek (Linda) potoki, komunikaty i kanały (Unix)

Transkrypt

1 Mechanizmy komunikacji spotkania symetryczne (język CSP) spotkania asymetryczne (Ada) przestrzenie krotek (Linda) potoki, komunikaty i kanały (Unix)

2 Język CSP Hoare (1978r.) Communicating Sequential Processes Nowy język do zapisu procesów współbieżnych prostota 4 instrukcje proste (przypisanie, pusta, wejścia, wyjścia) 2 instrukcje strukturalne (alternatywa, pętla) mechanizm spotkań symetrycznych możliwe równoległe wykonywanie instrukcji w ramach procesu możliwość parametryzowania procesów

3 Program w CSP [ P1::<treść procesu P1> P2::<treść P2>... Pn::<treść Pn> ] II oznacza równoległość procesów P1, P2,..., Pn etykiety procesów Możliwość parametryzowania procesów: P(k:1..N):: <treść zależna od zmiennej związanej k> daje w wyniku N procesów P(1),...,P(N).

4 Instrukcje języka CSP (1) Instrukcja przypisania zwykła x := n jednoczesna (x,y,z) := (2a+1, b+c, a-2c) Instrukcja pusta słowo kluczowe skip (niezbędna przy wykorzystaniu alternatywy)

5 Instrukcje języka CSP (2) Alternatywa uogólnienie instrukcji warunkowej [ D1->I1 [] D2->I2 []... [] Dn->In ] Di dozory (ciągi warunków logicznych oddzielonych średnikami operator and) Ii niepuste ciągi instrukcji oddzielone średnikami operator następstwa Wykonanie: - równoczesne obliczenie wszystkich dozorów - wybranie jednego z dozorów spełnionych (niedeterministyczne) - wykonanie następujących po nim instrukcji Brak spełnionych dozorów zatrzymuje wykonywanie programu (błąd)

6 Instrukcja alternatywy Przykład: [x=1->x:=x+3 [] x>4->y:=2x [] x<0->x:=abs(x)] Możliwość parametryzowania przykład: (p:1..5) x<2*p -> y:=f p (x) Efekt instrukcji warunkowej if w then I: [ w -> I [] not w -> skip ]

7 Instrukcje języka CSP (3) Instrukcja pętli - *alternatywa *[ D1->I1 [] D2->I2 []... [] Dn->In ] Wykonywana tak długo, aż nie będzie spełniony żaden dozór Wykonanie równoległe instrukcji I1 I2... In comment słowo kluczowe oznaczające komentarz

8 Komunikacja między procesami Mechanizm spotkania symetrycznego: nadawca A instrukcja wyjścia B!X(y1...yn) odbiorca B instrukcja wejścia A?X(z1...zn) Procesy muszą wzajemnie znać swoje nazwy. Pominięcie wyrażeń y i z w instrukcjach daje mechanizm synchronizacji

9 Idea spotkania Proces A Proces B B!paczka(5,3,6,8) A?paczka(x1,x2,x3,x4) Instrukcje wykonywane tylko wspólnie (czekanie na drugiego)

10 Problem producenta-konsumenta (bez bufora) [ PRODUCENT:: p:porcja; *[true -> produkuj(p); KONSUMENT!p]; KONSUMENT:: p:porcja; *[PRODUCENT?p -> konsumuj(p);] ] porcja typ przekazywanego elementu Instrukcja wejścia Q?.. w dozorach procesu P: true jeśli Q czeka na wykonanie odpowiedniej instrukcji wyjścia P!... false jeśli Q nie istnieje zawiesza P do chwili, gdy Q dojdzie do instrukcji wyjścia W jednym dozorze może wystąpić tylko jedna instrukcja wejścia i musi być to ostatnia instrukcja dozoru!

11 Problem producenta-konsumenta (z buforem jednoelementowym) [ PRODUCENT:: p:porcja; *[true -> produkuj(p); BUFOR!p]; BUFOR:: p:porcja; *[PRODUCENT?p -> KONSUMENT!p;] KONSUMENT:: p:porcja; *[BUFOR?p -> konsumuj(p);] ] W CSP procesy nie mogą komunikować się przez wspólną pamięć konieczne wprowadzenie procesu BUFOR Bufor N-elementowy? ćwiczenie Modelowanie procesów współbieżnych 11

12 Język Ada Język programowania głównie systemów czasu rzeczywistego (przeważnie współbieżnych) Bardzo rozbudowany, złożona skrajnia Brak pełnego kompilatora dla PC (kłopotliwa realizacja współbieżności) Standard zapisu programów współbieżnych w publikacjach naukowych

13 Mechanizm spotkań asymetrycznych Wzorowane na spotkaniach z CSP Dodatkowe obliczenia wykonywane w jednym z procesów (proces obsługujący serwer) Serwer udostępnia procesowi obsługiwanemu (klientowi) różne miejsca spotkań, widoczne w postaci wejść (entries). Klient musi znać nazwę serwera, serwer nie zna klientów.

14 Przykład serwer liczący pierwiastek task (proces) A task (proces) B... entry SQRT(n in:integer; y: out real); B.PRW(5,y) accept PRW(n in:integer; y: out real); end; y:=sqrt(n); Modelowanie procesów współbieżnych 14

15 Problem czytelników i pisarzy package czytelnia is (package pakiet deklaracji danych i procedur udostępnianych innym) procedure czytanie(x: out Integer); procedure pisanie(x: in Integer); end; package body czytelnia is książka: Integer; task PORTIER is (task definiuje proces) entry ZACZYNAM; entry KOŃCZĘ; entry PISZĘ(x: in Integer); end; procedure czytanie(x: out Integer) is PORTIER.ZACZYNAM; x:=książka; PORTIER.KOŃCZĘ; end czytanie; procedure pisanie(x: in Integer) is PORTIER.PISZĘ(x); end pisanie;

16 Problem czytelników i pisarzy cd. task body PORTIER is ilu_czyta: Integer:=0; liczba czytających begin loop select count liczba procesów czekających na spotkanie when PISZĘ count = 0 => w tym wejściu accept ZACZYNAM; ilu_czyta:=ilu_czyta+1; or accept KOŃCZĘ; ilu_czyta:=ilu_czyta-1; or when ilu_czyta = 0 => accept PISZĘ(x: in Integer) do książka := x; end PISZĘ; loop select accept ZACZYNAM; ilu_czyta:=ilu_czyta+1; else exit; end select; end loop; end select; end loop; end PORTIER;

17 Przestrzeń krotek w Lindzie (1) Linda idea komunikacji, której realizację można włączyć do dowolnego języka programowania Podstawowe pojęcia: krotka ciąg danych, z których każdy ma określony typ. Dane nie muszą być określone. sygnatura krotki ciąg typów poszczególnych elementów krotki Procesy realizują się w środowisku przestrzeni krotek. operacje INPUT, OUTPUT, READ, TRY_INPUT, TRY_OUTPUT Nie narzuca powiązań czasowych ani w przestrzeni adresowej (procesy nie muszą się znać)

18 Przestrzeń krotek w Lindzie (2) Proces A Przestrzeń krotek Proces B (4, 2) (6, 1.3) OUTPUT( A ) ( B ) ( S ) INPUT(5, x:real) ( a, true, 1) (5, 2.71)

19 Problem 5 filozofów

20 Próba 1 Program filozofy; var widelec:array[0..4] of (*binary*) semaphore; i:integer; procedure filozof(i:integer); begin repeat myśl; wait(widelec[i]); wait(widelec[(i+1)mod 5]); jedz; signal(widelec[i]); signal(widelec[(i+1)mod 5]); forever end; begin (program główny) for i:=0 to 4 do widelec[i]:=1; cobegin filozof(0); filozof(1); filozof(2); filozof(3); filozof(4); coend end. Modelowanie procesów współbieżnych 20

21 Próba 1 komentarz Semafory zapewniają wzajemne wykluczanie przy dostępie do widelców Zapewnione bezpieczeństwo (jedzenie po zakończeniu oczekiwania na 2 widelce-semafory) Możliwość blokady Jeśli filozofowie się zsynchronizują i równocześnie biorą lewe widelce

22 Program filozofy; monitor mon_widelec; var Próba 2 widelec:array[0..4] of integer; można_jesc:array[0..4] of condition; i:integer; liczba widelców dostępnych danemu filozofowi procedure weź_widelec(i:integer) begin if widelec[i]<>2 then wait(można_jesc[i]); widelec[(i+1)mod 5]:=widelec[(i+1)mod 5]-1; widelec[(i-1)mod 5]:=widelec[(i-1)mod 5]-1; end; procedure odłóż_widelec(i:integer) begin widelec[(i+1)mod 5]:=widelec[(i+1)mod 5]+1; widelec[(i-1)mod 5]:=widelec[(i-1)mod 5]+1; if widelec[(i+1)mod 5]=2 then signal(można_jesc[(i+1)mod 5]); if widelec[(i-1)mod 5]=2 then signal(można_jesc[(i-1)mod 5]); end; Modelowanie procesów współbieżnych 22

23 Próba 2 cd. procedure filozof(i:integer); begin repeat myśl; weź_widelec[i]; jedz; odłóż_widelec[i]; forever end; begin (program główny) for i:=0 to 4 do widelec[i]:=2; cobegin filozof(0); filozof(1); filozof(2); filozof(3); filozof(4); coend end. Modelowanie procesów współbieżnych 23

24 Próba 2 komentarz Zastosowanie monitora Filozof bierze widelce, gdy oba są dostępne Zapewnione wzajemne wykluczanie i bezpieczeństwo Niemożliwa blokada Możliwe zagłodzenie Jeśli dwaj filozofowie zmówią się i nie dopuszczą siedzącego między nimi do jedzenia

25 Rozwiązanie poprawne Oparte na pierwszej próbie Dodatkowy semafor odgradzający lokaj gwarantuje, że co najwyżej czterech filozofów próbuje wziąć widelce. Rozwiązanie nie dopuszcza blokady i zagłodzenia

26 Rozwiązanie poprawne - kod Program filozofy; var widelec:array[0..4] of (*binary*) semaphore; lokaj: semaphore; i:integer; procedure filozof(i:integer); begin repeat myśl; wait(lokaj); wait(widelec[i]); begin (program główny) wait(widelec[(i+1)mod 5]); lokaj:=4; jedz; signal(widelec[i]); signal(widelec[(i+1)mod 5]); signal(lokaj); forever end; for i:=0 to 4 do widelec[i]:=1; cobegin filozof(0); filozof(1); filozof(2); filozof(3); filozof(4); coend end. Modelowanie procesów współbieżnych 26