Programowanie Równoległe i Rozproszone



Podobne dokumenty
WYKŁAD 4 SEMAPHORES (CIĄG DALSZY) Przykład 6 Problem czytelników i pisarzy. Wykład 4 strona 1/24

SOP2 - semafory. grudzień

Programowanie Równoległe i Rozproszone

Ingerencja w kod systemu operacyjnego (przerwania) Programowanie na niskim poziomie (instrukcje specjalne) Trudności implementacyjne (alg.

Klasyczne problemy synchronizacji

Wykład 4. Synchronizacja procesów (i wątków) cześć I. Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -1- Wydział Informatyki PB

Przetwarzanie wielowątkowe przetwarzanie współbieżne. Krzysztof Banaś Obliczenia równoległe 1

Klasyczne problemy współbieżności. Problem producenta i konsumenta Problem czytelników i pisarzy Problem pięciu filozofów

Przeplot. Synchronizacja procesów. Cel i metody synchronizacji procesów. Wątki współbieżne

Wprowadzenie do programowania współbieżnego

Semafory. // G - globalna dla wszystkich. // Wada - aktywne oczekiwanie Test_and_Set(Li); exit when Li = 0; end loop sekcja_krytyczna(i); G := 0;

Programowanie równoległe i rozproszone. Monitory i zmienne warunku. Krzysztof Banaś Programowanie równoległe i rozproszone 1

Systemy operacyjne Wzajemne wykluczanie i synchronizacja

Semafor nie jest mechanizmem strukturalnym. Aplikacje pisane z użyciem semaforów są podatne na błędy. Np. brak operacji sem_post blokuje aplikację.

Przykład wystąpienia wyścigu. Systemy operacyjne / Wzajemne wykluczanie i synchronizacja str.4/33. Wyścigi w systemie operacyjnym.

Semafor nie jest mechanizmem strukturalnym. Aplikacje pisane z użyciem semaforów są podatne na błędy. Np. brak operacji sem_post blokuje aplikację.

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

Semafory. - aktywne oczekiwanie =GRGDWNRZ\PZVSDUFLHPVSU]WRZ\P 6SHFMDOQDLQVWUXNFMDPDV]\QRZDUHDOL]XMFDDWRPRZ\]DSLVL odczyt, np.

Programowanie współbieżne Wykład 10 Synchronizacja dostępu do współdzielonych zasobów. Iwona Kochańska

Proces z sekcją krytyczną. Synchronizacja procesów. Synchronizacja procesów, cd. Synchronizacja procesów, cd. Synchronizacja procesów, cd

Programowanie wspóªbie»ne

synchronizacji procesów

Synchronizacja procesów i wątków

Problemy czytelników i pisarzy oraz 5 ucztujących filozofów

synchronizacji procesów

J. Ułasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 1

Wykład 4. Synchronizacja procesów (i wątków) cześć I. Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -1- Wydział Informatyki PB

Systemy operacyjne. Zajęcia 11. Monitory

procesów Współbieżność i synchronizacja procesów Wykład prowadzą: Jerzy Brzeziński Dariusz Wawrzyniak

Równoległość i współbieżność

Równoległość i współbieżność

Monitory. Jarosław Kuchta

Programowanie współbieżne Wykład 4. Rafał Skinderowicz

Semafor ustaw_semafor(key_t nazwa, int start); Semafor usun_semafor(semafor sem); void signal(semafor sem); void wait(semafor sem);

Proces z sekcją krytyczną. Synchronizacja procesów. Synchronizacja procesów, cd. Synchronizacja procesów, cd. Synchronizacja procesów, cd

Mechanizmy pracy równoległej. Jarosław Kuchta

Modelowanie procesów współbieżnych

Synchronizacja procesów

Systemy operacyjne III

J. Ułasiewicz Programowanie aplikacji współbieżnych 1

Systemy Operacyjne synchronizacja i komunikacja procesów

1. ARCHITEKTURY SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH

Strategia "dziel i zwyciężaj"

Problemy współbieżności

Programowanie równoległe i rozproszone. W1. Wielowątkowość. Krzysztof Banaś Programowanie równoległe i rozproszone 1

Wątek - definicja. Wykorzystanie kilku rdzeni procesora jednocześnie Zrównoleglenie obliczeń Jednoczesna obsługa ekranu i procesu obliczeniowego

Gdy kilka procesów czyta a przynajmniej jeden dokonuje zapisu wynik odczytu zależeć może od sposobu realizacji przeplotu.

5. Model komunikujących się procesów, komunikaty

Monitory. Wady semafora

Język JAVA podstawy. Wykład 3, część 3. Jacek Rumiński. Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Programowanie Równoległe i Rozproszone

I.Wojnicki, PHP. PHP PHP Hypertext Preprocessor. Igor Wojnicki. Ktedra Informatyki Stosowanej Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie.

Stworzenie klasy nie jest równoznaczne z wykorzystaniem wielowątkowości. Uzyskuje się ją dopiero poprzez inicjalizację wątku.

I.Wojnicki, Tech.Inter.

Klient-Serwer Komunikacja przy pomocy gniazd

SYSTEMY OPERACYJNE WYKLAD 6 - procesy

Programowanie współbieżne Zadanie 5 - Podstawowe problemy programowania współbieżnego

Lock Manager Deadlock Źródła Jak starczy czasu. Dreadlocks. Konrad Błachnio MIMUW 19 maja 2010

Multiprocessor Shared-Memory Information Exchange. Damian Klata, Adam Bułak

Podstawy programowania 2. Temat: Drzewa binarne. Przygotował: mgr inż. Tomasz Michno

Uwagi dotyczące notacji kodu! Moduły. Struktura modułu. Procedury. Opcje modułu (niektóre)

4. Procesy pojęcia podstawowe

Private Sub Button1_Click(sender As Object, e As EventArgs) Handles Button1.Click

Wykład 5. Synchronizacja (część II) Wojciech Kwedlo, Wykład z Systemów Operacyjnych -1- Wydział Informatyki PB

Synchronizacja procesów

Komunikacja asynchroniczna w modelu rozproszonym

Obliczenia równoległe i rozproszone w JAVIE. Michał Kozłowski 30 listopada 2003

SYSTEMY CZASU RZECZYWISTEGO - VxWorks

Porządek dostępu do zasobu: procesory obszary pamięci cykle procesora pliki urządzenia we/wy

Programowanie wspóªbie»ne

Temat: Dynamiczne przydzielanie i zwalnianie pamięci. Struktura listy operacje wstawiania, wyszukiwania oraz usuwania danych.

Systemowe mechanizmy synchronizacji procesów

Proces z sekcją krytyczną. Synchronizacja procesów. Synchronizacja procesów, cd. Synchronizacja procesów, cd. Synchronizacja procesów, cd

Programowanie Równoległe i Rozproszone. Algorytm Kung a. Algorytm Kung a. Programowanie Równoległe i Rozproszone Wykład 8. Przygotował: Lucjan Stapp

Wielozadaniowość w systemie Microsoft Windows

Procesy i wątki. Blok kontrolny procesu. Proces. Proces - elementy. Stan procesu

Wstęp do programowania

3URJUDPRZDQLHZVSyáELH*QHZVWS

Algorytmy i złożoności. Wykład 3. Listy jednokierunkowe

1. Procesy i współbieżność

Programowanie wielowątkowe. Tomasz Borzyszkowski

WYKŁAD 10. Zmienne o złożonej budowie Statyczne i dynamiczne struktury danych: lista, kolejka, stos, drzewo. Programy: c5_1.c, c5_2, c5_3, c5_4, c5_5

4. Procesy pojęcia podstawowe

Algorytmy równoległe: ocena efektywności prostych algorytmów dla systemów wielokomputerowych

Proces y i y w i ąt ą ki

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Uniwersytetu Łódzkiego Łódź. Java podstawy języka, wykład 4 1

Podstawy programowania komputerów

Synchronizacja procesów

Zaawansowany kurs języka Python

ZASADY PROGRAMOWANIA KOMPUTERÓW ZAP zima 2014/2015. Drzewa BST c.d., równoważenie drzew, kopce.

Programowanie w VB Proste algorytmy sortowania

Robert Barański, AGH, KMIW MathScript and Formula Nodes v1.0

Programowanie współbieżne Wykład 7. Iwona Kochaoska

ZASADY PROGRAMOWANIA KOMPUTERÓW

Algorytmy równoległe. Rafał Walkowiak Politechnika Poznańska Studia inżynierskie Informatyka 2010

Wstęp do programowania

Zagadnienia zaawansowane. Lech Kruś,

Wzajemne wykluczanie i zakleszczenie

Transkrypt:

Programowanie Równoległe i Rozproszone Lucjan Stapp Wydział Matematyki i Nauk Informacyjnych Politechnika Warszawska (l.stapp@mini.pw.edu.pl) 1/75 PRiR Trzy podstawowe zadania programów równoległych to: 1. Jednoczesna praca procesorów (równoległość wykonania) 2. Wymiana informacji (komunikacja między procesowa) 3. Wymuszenie na procesorach ustalenia jednej wartości dla zmiennej albo czasu rozpoczęcia i zakończenia (synchronizacja) 2/75 PRiR 1. Równoległość: Wybór między SIMD a MIMD 3/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 1

2. Komunikacja międzyprocesorowa (międzyprocesowa) Ani ludzie ani komputery nie mogą się komunikować bez ustalenia pewnego zbioru nazw. Architektura z pamięcią dzieloną vs multikomputery Problem komunikacji można rozwiązać na różne sposoby 1. architektura pamięci dzielonej szyny połączenie typu crossbar połączenie typu multistage 2. dla maszyn z pamięcią rozproszoną pierścienie drzewa binarne dwu-wymiarowe tablice procesorów hiperkostka (hypercube) Architektury te były prezentowane na pierwszym wykładzie 4/75 PRiR odnosi się do potrzeby ustalenia jednej wartości dla zmiennej przez dwa (lub więcej) procesory. Dwa podstawowe problemy to: 1. wzajemne wykluczanie 2. spójność pamięci Wzajemne wykluczanie(ang. mutual exclusion) zezwalanie dokładnie jednemu procesorowi na dostęp do danego miejsca w pamięci w tym samym czasie. 5/75 PRiR Przykład 1 Proc_1: I_11: x 1 Proc_2: I_21: x 2 Wartość początkowa : x=0 6/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 2

Przykład 1 cd Możliwe scenariusze wykonania: Time Proc_1 Proc_2 x 0 x 1 1 x 2 2 Time Proc_1 Proc_2 x 0 x 2 2 x 1 1 Stądmożliwewartościxto1lub2. 7/75 PRiR Przykład 2. Proc_1: y x+1; x y; z z + y; Proc_2: y x+1; x y; z z + y; Początkowe wartości : x=0, y=0, z=0 8/75 PRiR Przykład 2 cd. Możliwe scenariusze wykonania: Time Proc_1 Proc_2 x y z 0 0 0 y x+1 0 1 0 x y 1 1 0 z z + y 1 1 1 y x+1 1 2 1 x y 2 2 1 z z+y 2 2 3 Time Proc_1 Proc_2 x y z 0 0 0 y x+1 0 1 0 y x+1 0 1 0 x y 1 1 0 x y 1 1 0 z z+y 1 1 1 z z+y 1 1 2 Time Proc_1 Proc_2 x y z 0 0 0 y x+1 0 1 0 x y 1 1 0 y x+1 1 2 0 z z + y x y 2 2 2 z z+y 2 1 4 9/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 3

Przykład 2 cd. Możliwe wartości końcowe: x y z 2 2 3 1 1 2 2 1 4 10/75 PRiR Wniosek: Wzajemne wykluczanie NIEwystarcza, aby zapewnić poprawne wykonanie programu równolegle wykonywanego. 11/75 PRiR Definicje Proces sekwencyjna część programu równolegle wykonywanego (równoległego), wykonywana na jednym procesorze. Liczba procesów może być większa niż liczba procesorów w systemie. (Rozwiązanie powyższego problemu zostanie podane w przyszłości). Sekcja krytyczna sposób na poprawną komunikację. Co najwyżej jeden proces może pracować w sekcji krytycznej, wykorzystując w tym samym czasie wspólne zasoby (np. zmienne) 12/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 4

Przykład 2. cd Proc_1: critical section y x+1; x y; z z + y; end of critical section Proc_2: critical section y x+1; x y; z z + y; end of critical section Początkowe wartości: x=0, y=0, z=0 13/75 PRiR Przykład 2. cd Możliwe scenariusze wykonania: Time Proc_1 Proc_2 x y z 0 0 0 y x+1 0 1 0 x y 1 1 0 z z + y 1 1 1 y x+1 1 2 1 x y 2 2 1 z z+y 2 2 3 Time Proc_1 Proc_2 x y z 0 0 0 y x+1 0 1 0 x y 1 1 0 z z+y 1 1 1 y x+1 1 2 1 x y 2 2 1 z z + y 2 2 3 14/75 PRiR Example 2 - cont. Jedyny możliwy wynik: x y z 2 2 3 15/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 5

Wniosek Komunikacja między procesami jest oparta na wzajemnym wykluczaniu się sekcji krytycznych 16/75 PRiR Pierwszy (podstawowy) schemat komunikacji Przykład 4 - komunikacja Proc_1: cycle instrukcja_1_a; wysyłanie informacji; instrukcja_1_b; end_of_cycle Proc_2: cycle instrukcja_2_a; odbieranie informacji; instrukcja_2_b; end_of_cycle 17/75 PRiR Pierwszy schemat komunikacji Example 4a(Producent - konsument) Proc_1: cycle instruction_1_a; critical_section wysyłanie informacji do pustego bufora; (zapis do pustego bufora); end_of_cycle; Proc_2: cycle instruction_2_a; critical_section odbieranie informacji z niepustego bufora (czytanie z bufora); end_of_cycle; 18/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 6

Drugi (podstawowy) schemat komunikacji Drugi podstawowy schemat wykorzystywany do komunikacji jest używany głównie w systemach rozproszonych handshaking (ang. uścisk dłoni); 19/75 PRiR Cycle Instruction_1_A; critical_section; wysłanie sygnału; Drugi schemat komunikacji critical_section; czekanie na odpowiedź; critical_section; pisanie (wysyłanie) danych; critical_section; czekanie na end_signal; end_of_cycle; Cycle Instruction_2_A; critical_section; czekanie na sygnał; wysłanie odpowiedzi; wait; critical_section; odbieranie danych; wysłanie end_signal; end_of_cycle; 20/75 PRiR Proc_1: cycle instruction_1_a; critical_section czekaj_dopóki_bufor_2_jest_pusty; critical_section czytaj_z_bufor_2; Przykład 5 Proc_2: cycle instruction_2_a; critical_section czekaj_dopóki_bufor_1_jest_pusty; critical_section czytaj_z_bufor_1; end_of_critical_section instruction_1_b; instruction_2_b; critical_section czekaj_dopóki_bufor_1_jest_pełny; pisz_do_bufor_1; end_of_cycle; critical_section czekaj_dopóki_bufor_2_jest_pełny; pisz_do_bufor_2; end_of_cycle; 21/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 7

Deadlock W powyższej sytuacji oba procesy będą czekały w nieskończoność na dane: Proc_1 na dane z bufora_2 Proc_2 na dane z bufora_1 Powyższa sytuacja to tzw. zakleszczenie(ang. deadlock). Zakleszczenie to ZAWSZEkrytyczny błąd programisty. 22/75 PRiR Teraz zademonstrujemy narzędzia do zarządzania sekcją krytyczną. Wymagania stawiane rozwiązaniom: 1. Symetryczność i równość procesów. 2. Niezależne od prędkości procesów. 3. Skończony czas rozwiązywania konfliktów. 4. Niezależne czynności poza sekcją krytyczną. 23/75 PRiR SYNCHRONIZACJA PRZEZ ZMIENNĄ CAŁKOWITĄ (LICZNIK) intx= 0; /* x = 0 gdy nie ma żadnego procesu w sekcji krytycznej x = 1 gdy jest jakiś proces w sekcji krytycznej */ process:: P; while(1) instructions_a; while (!x) x++; if ( x<> 1 ) x--; loop; } } /* teraz sekcja krytyczna */ /* po sekcji krytycznej */ x --; } /*while*/ } /* P */ 24/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 8

SYNCHRONIZACJA PRZEZ ZMIENNĄ CAŁKOWITĄ (LICZNIK) Powyższe rozwiązanie jest błędne: Z dwoma procesami pracującymi krok po kroku, x może przyjąć wartość 2. Żaden proces nie wejdzie do sekcji krytycznej. 25/75 PRiR SYNCHRONIZACJA PRZEZ ZMIENNE LOKALNE int x:= 0; /* x = 0 gdy nie ma żadnego procesu w sekcji krytycznej x = 1 gdy jest jakiś proces w sekcji krytycznej */ process :: P; int y = 1; while(1) instructions_a; x y; /* operacja atomowa zamiana wartości */ while (y) x y; /* teraz sekcja krytyczna */ /* po sekcji krytycznej */ x y; }/*while*/ }/* P */ Wniosek: aktywne czekanie(busy waiting) 26/75 PRiR SYNCHRONIZACJA PRZEZ (Semafory Dijkstry) Semafor:specjalna zmienna skojarzona z sekcją krytyczną. Są dwie atomowe (niepodzielne)operacje na semaforze s: P(s): opuść semafor s (=czekaj na semaforze s) Wait(s) V(s): podnieś semafor s (= sygnalizuj na semaforze s) Signal(s) 27/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 9

Zarys kodu semafora:: class semaphore:: public s; ints; SET qs; /* zbiór czekających procesów*/ void Wait(s) if (s=< 0) dodaj_proces_do_qs; else s--; void Signal(s) if (not_empty(qs) ) aktywuj_jakiś_proces_z_qs; else s++; } } 28/75 PRiR Są 3 stany semafora: 1. s > 0 2. s = 0 i qs jest pusty 3. s = 0 i qs nie jest pusty. Wait(s): s = 0 Tak Nie uśpij proces w qs s-- 29/75 PRiR Signal(s): s = 0 Tak Nie qs jest pusty s++ Tak s++ Nie aktywuj jakiś proces z qs Ponieważ stan s> 0 i qs niepusta jest niemożliwy upraszczamy Signal(s) (zaznaczona część powyższej ilustracji). 30/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 10

Semafory spełniają nasze wymagania. 1. Symetryczność i równość procesów. 2. Niezależne od prędkości procesów. 3. Skończony czas rozwiązywania konfliktów. 4. Niezależne od czynności poza sekcją krytyczną. 31/75 PRiR Dostęp do sekcji krytycznej - typowy schemat semaphore w = 1; process:: P; while(1) instruction_a; Wait(w); /* opuść semafor w*/ /* wejście do sekcji krytycznej*/ /* sekcja krytyczna*/ /*wyjście z sekcji krytycznej */ Signal(w); /*podnieś semafor w*/ } /*while*/ } /* P */; 32/75 PRiR Producent -konsument z jednoelementowym buforem 33/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 11

buffer buf; semaphore full, empty = 0, 1; process producer; Product S; Product production()...;} while(1) S= production (); Wait(empty); /*czekanie na pusty bufor*/ buf=s; Signal(full); /* sygnalizuj, że coś jest w buforze*/ } process consumer; Void consumption( product S)...;} product S; while(1) Wait(full); /* czekaj aż coś będzie w buforze*/ S=buf; Signal(empty); /*sygnalizuj, że bufor jest pusty*/ consumption(s); } } 34/75 PRiR Dlaczego potrzeba 2 semaforów(full oraz empty)? Czy zawszefull +empty == 1? 35/75 PRiR Schemat producent - konsument: jednoelementowy bufor, m producentów, n konsumentów Kod dla producenta i konsumenta nie ulegazmianie. 36/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 12

Schemat producent - konsument każdy proces jest jednocześnie producentem i konsumentem 37/75 PRiR buffer buf1, buf2; semaphore full1,empty1,full2,empty2 = 0,1,0,1; /*dla każdego bufora potrzebujemy dwóch semaforów*/ process::p1; product S,C; while(1) /* produkcja dobuf2 */ S= production(); Wait(empty2); buf2 = S; Signal(full2); /*pobranie zbuf1 */ Wait(full1); C=buf1; Signal(empty1); Consumption(C); process::p2; Product S,C; while(1) /* produkcjado buf1 */ S= production(); Wait(empty1); buf1 =S; Signal(full1); /* pobranie zbuf2 */ Wait(full2); C=buf2 ; Signal(empty2); Consumption(C); 38/75 PRiR Schemat producent konsument z nieskończonym buforem 39/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 13

buffer buf[ ]; int first_free = 1; /* pierwsza pusta komórka w buforze */ intlast_occ = 1; /* ostatnia komórka w buforze z nieprzeczytanymi informacjami */ semaphore full, wp, wc = 0,1,1; /* fulldo sprawdzenia czy czytanie jest możliwe; fulljest równe liczbie pełnych (nieprzeczytanych) komórek w buforze; bufor jest nieskończony, dlatego dodanie do bufora jest zawsze możliwe */ /* wp dla wzajemnego wykluczania się producentów */ /* wcdla wzajemnego wykluczania się konsumentów */ 40/75 PRiR process :: producer; product S; while(1) S= production(); Wait(wp); /* opuść semafor wp, aby zapewnić dostęp do bufora na wyłączność */ buf[first_free] = S; /* wstaw produkt na pierwsze wolne miejsce w buforze*/ first_free ++ ; Signal(full); /* podnieś semafor wp, aby udostępnić dostęp innym producentom do bufora */ Signal(wp); process :: consumer; product S; while(1) Wait(full); /* konsumpcja jest możliwa tylko gdy coś jest w buforze*/ Wait(wc); /* opuść semafor wc, aby uzyskać dostęp do bufora na wyłączność */ S=buf[last_occ]; last_occ++; Signal(wc); /* podnieśsemaforwcby udostępnić innym konsumentom dostęp do bufora*/ consumption(s); 41/75 PRiR BINARNE Binarny semafor (ang. binary semaphore) ma tylko 2 wartości: 0 i 1. Zamiast operacji Wait i Signal używamy analogicznych operacji binarnych: BWait i BSignal. 42/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 14

BINARNE Producent konsument z nieskończonym buforem i semaforami binarnymi Zamiast semafora full powinno się użyć: zmienną całkowitą m = liczba pełnych komórek w buforze binarny semafor bfull binarny semafor wm pilnujący dostępu do zmiennej m 43/75 PRiR BINARNE buffer buf[ ] ; intfirst_free= 1; /* pierwsza wolna komórka w buforze*/ intlast_occ = 1; /* ostatnia komórka z nieprzeczytanymi informacjami*/ binary semaphore bfull, wp, wc, wm = 0,1,1,1; /* wm -semafor dostępu do zmiennej m*/ intm = 0; /* liczba wypełnionych komórek*/ 44/75 PRiR process :: producer; product S; while(1) S= production(); BWait(wp); buf[first_free] = S; first_free ++ ; BSignal(wp); /*poniższa sekwencja instrukcji jest użyta zamiast Signal(full)z poprzedniego przykładu*/ BWait(wm); m++; if (m ==1) BSignal(bfull); Bsignal(wm); BINARNE process :: consumer; product S; while(1) Bwait(bfull); /* konsumpcja jest możliwa gdy coś jest w buforze*/ Bwait(wc); S=buf[last_occ]; last_occ++; BSignal(wc); BWait(wm); m--; if (m >0) Bsignal (bfull); BSignal(wm); /* jeżeli bufor jest niepusty, musimy otworzyć semafor binarny bfull*/ consumption(s); 45/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 15

BINARNE Uwaga: Celem powyższego przykładu jest pokazanie, jak zastąpić semafor zwykły semaforem binarnym; czasami może to prowadzić do dodatkowych komplikacji; nie będą one omawiane na niniejszym wykładzie. 46/75 PRiR Producent konsument ze skończonym buforem 47/75 PRiR Producent - konsument ze skończonym buforem Nowy semafor emptypowinien zostać dodany do poprzedniego rozwiązania. Umieszczenie elementu w buforze jest możliwe, gdy empty(liczba wolnych komórek w buforze) jest większa niż 0. W przeciwnym wypadku producent powinien czekać (w zbiorze na semaforze empty). 48/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 16

#define N =??? /*wielkość bufora*/ buffer buf[ ] ; int first_free = 1; /* pierwsza wolna komórka w buforze*/ intlast_occ = 1; /* ostatnia komórka w buforze z nieprzeczytaną informacją*/ semaphore full, empty = 0,N; binary semaphore wp, wc= 1,1; 49/75 PRiR process :: producer; product S; while(1) S= production(); Wait(empty); BWait(wp); buf[first_free] = S; first_free=(first_free + 1)%N; BSignal(wp); Signal(full); process :: consumer; product S; while(1) Wait(full); BWait(wc); S=buf[last_occ]; last_occ=(last_occ+1)%n; BSignal(wc); Signal(empty); consumption(s); 50/75 PRiR Problem czytelników i pisarzy Readers writers problem Opis problemu: Jest n czytelników, m pisarzy i jedna wspólna strona; Każdy czytelnik czyta informacje ze strony, każdy pisarz może pisać na stronie; Wielu czytelników może naraz czytać dane ze strony; Pisarz zajmuje stronę na wyłączność(żaden inny proces pisarz czy czytelnik -nie może używać w tym czasie strony); Nie ma ograniczeńczasowych na czytanie i pisanie, ale operacje te są skończone. 51/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 17

Schemat: czytelnicy i pisarze 52/75 PRiR Readers writers problem Rozwiązanie: Pisarz: Robi coś; Chce pisać; Pisze; Informuje, że skończył pisać; Czytelnik: Robi coś; Chce czytać; Czyta; Informuje, że skończył czytać; 53/75 PRiR intno_of_r; /* liczba procesów - czytelników aktualnie czytających */ binarysemaphore sp, w = 1, 1; /* w służy do synchronizacji dostępu do no_of_r, sp służy do synchronizacji dostępu do strony */ 54/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 18

process :: reader; while(1) BWait(w); no_of_r ++; if (no_of_ r == 1) BWait(sp); /* pierwszy czytelnik opuszcza sp */ BSignal(w); /* czytanie ze strony*/ BWait(w); no_of_r--; if (no_of_r== 0) BSignal(sp); /* ostatni czytelnik podnosi semafor sp*/ BSignal(w); process :: writer; while(1) BWait(sp); /* każdy piszący proces musi opuścić semafor sp*/ /* pisanie na stronie */ BSignal(sp); 55/75 PRiR Czytelnicy - pisarze z priorytetem dla pisarzy. Dodajemy dwa dodatkowe warunki do zadania: 1. Pisarze mają priorytet, jeśli jakikolwiek pisarz chcepisać, żaden czytelnik nie może zacząć czytać. 2. Nie ma priorytetu pomiędzy czytelnikami. 56/75 PRiR int no_of_r,no_of_w = 0,0; /*no_of_r- liczba procesów aktualnie czytających no_of_w liczba procesów, które chca pisać*/ binary semaphore sp,sr= 1, 1; binary semaphore w1, w2, w3= 1, 1,1; /*w1 do dostępu do no_of_r w2 do dostępu do no_of_w w3 dodatkowa śluza dla czytelników sp podobnie jak w poprzednim przykładzie sr dla priorytetu pisarzy */ 57/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 19

process :: reader; while(1) BWait(w3); BWait(sr); BWait(w1); no_of_r++; if (no_of_r == 1) BWait(sp); BSignal(w1); BSignal(sr); BSignal(w3); /* czytanie */ BWait(w1); no_of_r--; if ( no_of_r == 0) BSignal(sp); BSignal(w1); process :: writer; ; while(1) BWait(w2); no_of_w++; if (no_of_w== 1 ) BWait(sr); BSignal(w2); BWait(sp); /* pisanie */ BSignal(sp); BWait(w2); no_of_w--; if (no_of_w==0) BSignal(sr); BSignal(w2); 58/75 PRiR Modyfikacje semaforów Rozszerzone operacje na semaforach Jednoczesne operacje na semaforach (ang. Concurrent semaphore operations) (Dijkstra) DWait(s 1,s 2,...,s i,...,s n ); Czekaj aż wszystkie s i, s i >0 (i=1,...,n); for (i=1;i<=n;i++) s i = s i -1; DSignal(s 1,s 2,...,s i,...,s n ); for (i=1;i<=n;i++) s i = s i +1; 59/75 PRiR UOGÓLNIONE Modyfikacje semaforów Rozszerzone operacje na semaforach Uogólnione operacje na semaforach Wartość semafora jest zmieniana o wartość całkowitą n. NWait(s,n); Czekaj ażs >= n; s=s-n; NSignal(s,n); s = s+n; 60/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 20

UOGÓLNIONE Modyfikacje semaforów Rozszerzone operacje na semaforach Uogólnione operacje na semaforach Priorytety w dostępie do zasobów Priorytety są realizowane na podstawie numeru procesu. Procesy z mniejszymi numerami mają wyższy priorytet. 61/75 PRiR UOGÓLNIONE semaphore prior = 2*N-1; // N number of processes process:: Proc(name) /*1 <=name<=n */ int i; while(1) NWait(prior,N+name-1); /* prior == N-name żaden inny proces nie może wejść do sekcji krytycznej*/ /*zażądaj zasobu; */ /*critical section */ /*zwolnienie zasobu*/ NSignal(prior, name-1); /* prior = =N-1 żaden proces nie może wejść do sekcji krytycznej */ for(i=1;i<=n;i++) /* szukanie czekającego procesu z najwyższym priorytetem*/ NSignal(prior,1); /* prior == N+i-1 proces nr i wchodzi do sekcji krytycznej przerywamy pętlę */ } 62/75 PRiR UOGÓLNIONE Czytelnicy i pisarze bez priorytetu semaphore w = M; /* M > liczba czytelników*/ process :: reader; while(1) NWait(w,1); /*M procesów może zmniejszyć wo1*/ /* teraz czytanie */ NSignal(w,1); process :: writer; while(1) NWait(w,M); /*tylko jedenprocesmoże zmniejszyć w do 0*/ /* teraz pisanie */ NSignal(w,M); 63/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 21

UOGÓLNIONE Czytelnicy - pisarze z priorytetem dla pisarzy int no_of_r, no_of_w = 0,0; /*no_of_r liczba aktualnie czytających procesów no_of_w liczba czekających pisarzy*/ semaphore sp, r = M,M; /*M>= liczby możliwych czytelników sp podobnie jak we wcześniejszym przykładzie r dla realizowania priorytetu pisarzy */ 64/75 PRiR UOGÓLNIONE process :: reader; while(1) NWait(r,M); NWait(sp,1); NSignal(r,M-1); /*pisarz może zwiększyć semafor ro 1 */ NSignal(r,1); /*tu czytelnik czeka jeśli jakiś pisarz czeka */ /* czytanie */ NSignal(sp,1); process :: writer; while(1) NWait(r,1); NWait(sp,M); /* pisanie */ NSignal(sp,M); NSignal(r,1); 65/75 PRiR n filozofów je rybę 66/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 22

n filozofów je rybę Opis problemu: N filozofów siedzi dokoła okrągłego stołu, każdy na swoim miejscu. Jest n talerzy i n widelców na stole. Talerze znajdują się na wprost filozofów, widelce leżą pomiędzy talerzami. Czynności filozofa: Loop Myśli Chce podnieść swoje widelce Je rybę posługując się widelcami Odkłada widelce 67/75 PRiR n filozofów je rybę. Rozwiązanie problemu: Spróbuj podnieść swoje widelce Rozwiązanie 1. Czekaj aż lewy widelec będzie wolny Podnosi lewy widelec Czekaj aż prawy widelec będzie wolny Podnosi prawy widelec Złe rozwiązanie: deadlock 68/75 PRiR n filozofów je rybę. Rozwiązanie problemu: Spróbuj podnieść swoje widelce Rozwiązanie 2: Loop Czekaj aż lewy jest wolny Podnieś lewy IF prawy jest zajęty Odłóż lewy widelec ELSE Podnieś prawy widelec EXIT } } Złe rozwiązanie: busy waiting 69/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 23

n filozofów je rybę. Rozwiązanie problemu: Spróbuj podnieść swoje widelce Wniosek: Rozwiązanie 3: Czekaj, aż oba będą wolne Podnieś oba widelce w jednym ruchu 70/75 PRiR n filozofów je rybę. Rozwiązanie problemu: Odłóż widelce Odłóż widelce w dowolnej kolejności Obudźtego sąsiada, który czeka na widelec (jeśli jego drugi widelec jest wolny) czasami obu 71/75 PRiR Pierwsze rozwiązanie z semaforami - deadlock resource fork [N-1]; binary semaphore sem [N-1] = (N) 1; process Philosopher (name); while(1) /* myśli */ /* chce jeść */ BWait( sem[name] ); /* podnosi lewy widelec - fork[name] */ BWait( sem[(name+1) % N] ) ; /*podnosi prawy widelec -fork[(name+1) % N] */ /* jedzenie*/ BSignal( sem[name] ); /*odłożenie widelca fork[name] */ BSignal( sem[(name+1) % N] ) ; /* odłożenie widelca fork [(name+1) % N] */ 72/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 24

Prawidłowe rozwiązanie state[i] = 0 i-ty filozof myśli state[i] = 1 i-ty filozof chce jeść state[i] = 2 i-ty filozof je resource fork [N-1]; binary semaphore filsem[n-1] = 0; /*każdy filozof ma swój własny semafor do czekania */ intstate [N-1] = 0 ; Boolean semaphore w = 1; /* w do dostępu do tablicy stanów */ void test (k: integer); if ((state [(k-1)% N] <> 2 ) and ( state[k]== 1) and ( state[(k+1)%n] <> 2 )) state [k] = 2; BSignal(filsem[k]); 73/75 PRiR Prawidłowe rozwiązanie(cd.) process Philosopher (name); while(1) /* mysli */ /* chce jeść*/ BWait(w); state[name] = 1; test (name); BSignal(w); BWait( filsem[name] ); /* filsem[name] może zostać opuszczony, TYLKOjeśli został podniesiony w procedurze test(name) */ request (fork[name], fork [(name+1) % N] ) ; /* eating*/ release (fork[name], fork [(name+1) % N]) ; BWait(w); state[name] = 0; test ((name-1) % N); test ((name+1) % N); /* sprawdzamy obydwu sąsiadów czy czekają */ /* odpowiednie semafory są podnoszone */ BSignal(w); 74/75 PRiR To samo z semaforami uogólnionymi: semaphore sem[n] = 1; void philosopher(int name); while(1) /* myśli*/ DWait(sem[name], sem[(name+1) % N]); /*je*/ DSignal(sem[name], sem[(name+1) % N]); } } 75/75 PRiR Przygotował: Lucjan Stapp 25