Mechanizmy pracy równoległej Jarosław Kuchta
Zagadnienia Algorytmy wzajemnego wykluczania algorytm Dekkera Mechanizmy niskopoziomowe przerwania mechanizmy ochrony pamięci instrukcje specjalne Mechanizmy wysokopoziomowe mechanizmy synchronizacji semafory, monitory mechanizmy komunikacji sygnały, komunikaty, zdarzenia, potoki, gniazda, zdalne wywołania procedur, usługi sieciowe Rodzaje komunikacji i synchronizacji
Algorytmy wzajemnego wykluczania
Algorytmy wzajemnego wykluczania (1) P1 P2 2 Czyja kolej 1/2} 1 =1? =2? P1 P2
Kod algorytmu 1 void P1() do while (czyja_kolej ==2) do ; sekcja_krytyczna_1(); czyja_kolej = 2; sekcja_lokalna_1(); } while (true); } void P2() do while (czyja_kolej ==1) do ; sekcja_krytyczna_2(); czyja_kolej = 1; sekcja_lokalna_2(); } while (true); }
Wady algorytmu 1 Częstotliwość pracy P1 i P2 muszą być równe. Jeśli P1 zawiesi się w swojej sekcji krytycznej (albo poza nią), to P2 nie będzie już mógł działać.
Algorytmy wzajemnego wykluczania (2) P2 P1 =N? P1 w sekcji krytycznej T/N} T N P2 T P2 w sekcji krytycznej N T/N} =N? P1
Kod algorytmu 2 void P1() do while (c2) do ; c1 = true; sekcja_krytyczna_1(); c1 = false; sekcja_lokalna_1(); } while (true); } void P2() do while (c1) do ; c2 = true; sekcja_krytyczna_2(); c2 = false; sekcja_lokalna_2(); } while (true); }
Wada algorytmu 2 Nie zabezpiecza przed blokadą P1 w sekcji krytycznej? (c1) P2 w sekcji krytycznej? (c2) Stan początkowy N N P1 sprawdza c2 N N P2 sprawdza c1 N N P1 ustawia c1 T N P2 ustawia c2 T T P1 wchodzi do sekcji krytycznej P2 wchodzi do sekcji krytycznej T T T T
Algorytm 3 ustawianie c1 i c2 przed oczekiwaniem void P1() do c1 = true; while (c2) do ; sekcja_krytyczna_1(); c1 = false; sekcja_lokalna_1(); } while (true); } void P2() do c2 = true; while (c1) do ; sekcja_krytyczna_2(); c2 = false; sekcja_lokalna_2(); } while (true); }
Wada algorytmu 3 Również nie zabezpiecza przed blokadą P1 w sekcji krytycznej? (c1) P2 w sekcji krytycznej? (c2) Stan początkowy N N P1 ustawia c1 T N P2 ustawia c2 T T P1 sprawdza c2 T T P2 sprawdza c1 T T T T T T
Algorytm 4 wydłużone oczekiwanie void P1() do c1 = true; while (c2) do c1 = false; wait_for_some_time(delay); c1 = true; } sekcja_krytyczna_1(); c1 = false; sekcja_lokalna_1(); } while (true); } void P2() do c2 = true; while (c1) do c2 = false; wait_for_some_time(delay); c2 = true; } sekcja_krytyczna_2(); c2 = false; sekcja_lokalna_2(); } while (true); }
Wada algorytmu 4 W specyficznej sytuacji nie zabezpiecza przed blokadą P1 w sekcji krytycznej? (c1) P2 w sekcji krytycznej? (c2) Stan początkowy N N P1 ustawia c1 T N P2 ustawia c2 T T P1 sprawdza c2 T T P2 sprawdza c1 T T P1 kasuje c1 N T P2 kasuje c2 N N P1 ustawia c1 T N P2 ustawia c2 T T
Algorytm Dekkera połączenie algorytmu 1. i 4. void P1() do c1 = true; while (c2) do if (czyja_kolej == 2) c1 = false; while (czyja_kolej == 2) do; c1 = true; } } sekcja_krytyczna_1(); czyja_kolej = 2; c1 = false; sekcja_lokalna_1(); } while (true); } void P2() do c2 = true; while (c2) do if (czyja_kolej == 1) c2 = false; while (czyja_kolej == 1) do; c2 = true; } } sekcja_krytyczna_2(); czyja_kolej = 1; c2 = false; sekcja_lokalna_2(); } while (true); }
Mechanizmy niskopoziomowe
Przerwania wątek podstawowy przerwanie o niższym priorytecie przerwanie o wyższym priorytecie
Przerwania maskowalne wątek podstawowy czas maskowania przerwań obsługa przerwań zgłoszenia przerwań
Przerwania niemaskowalne wątek podstawowy czas maskowania przerwań obsługa przerwań zgłoszenia przerwań
Przerwania w systemie równoległym Wykorzystanie maskowania do ochrony sekcji krytycznej W systemie wieloprocesorowym brak gwarancji ochrony sekcji krytycznej
Mechanizmy ochrony pamięci Arbitraż dostępu do pamięci Nieznana kolejność dostępu
Instrukcje specjalne Na poziomie procesora BTC Bit Test and Complement BTS Bit Test and Set BTR Bit Test and Reset Na poziomie języka (C#) lock(object) }
Mechanizmy wysokopoziomowe
Semafor Zmienna całkowita podnoszenie opuszczanie Wada: programowanie niestrukturalne
Monitor Nadzoruje dostęp do wspólnego zasobu. Tylko jeden proces ma dostęp w danej chwili.
Sygnał Zmienna systemowa do komunikacji między procesami. Proces 1. czeka na sygnał. Proces 2. ustawia sygnał. Ustawienie sygnału powoduje wznowienie procesu 1. i jednoczesne skasowanie sygnału.
Komunikat Informacja przekazywana od procesu 1. do procesu 2. Komunikat trafia do kolejki komunikatów procesu 2. Proces 2. co pewien czas sprawdza, czy ma jakieś komunikaty w kolejce. Odbiera komunikat z kolejki i obsługuje go.
Zdarzenie Proces 1. definiuje zdarzenie jako procedurę obsługi. Proces 2. wywołuje procedurę obsługi zdarzenia w procesie 1. Procedura obsługi jest wykonywana w wątku procesu 2, ale ma dostęp do danych procesu 1.
Potok (pipe) umożliwia wymianę danych między dwoma procesami potok nienazwany łączy standardowe wyjście jednego procesu ze standardowym wejściem drugiego procesu potok nazwany plik do którego jeden proces pisze, a drugi proces czyta
Gniazdo (socket) dwukierunkowy punkt końcowy połączenia umożliwia wysyłanie i przyjmowanie danych wykorzystywane przez aplikacje do komunikacji międzyprocesowej przez sieć (Internet)
Zdalne wywołanie procedur (RPC) Remote Procedure Call Standard RFC 1057 Protokół: Serwer nasłuchuje na wybranym porcie. Klient nawiązuje łączność z serwerem przez sieć komputerową i wysyła żądanie usługi (dane) Serwer wykonuje usługę i zwraca potwierdzenie lub kod błędu. Protokoły (RPC, CORBA, DCOM, czy XML-RPC) ukrywają mechanizm wywołania usługi. Dla programisty zdalne wywołanie procedury ma taką samą postać jak wywołanie każdej innej lokalnej procedury.
Usługa sieciowa (WebService) Niezależna od platformy sprzętowoprogramowej i sposobu implementacji. Opisywana przez język opisu usług WSDL (Web Services Description Language) Opublikowana i wyszukiwana w rejestrze usług za pomocą standardowego mechanizmu (UDDI) Wywołana zdalnie przez zdefiniowany interfejs.
Rodzaje usług sieciowych Synchroniczne (jak RPC) Asynchroniczne (np. RIA) Po stronie serwera usługa jak zwykła funkcja. Po stronie klienta: zdefiniowanie operacji, określenie danych wejściowych i procedury zwrotnej (callback), asynchroniczne wywołanie wysłanie żądania wykonania do serwera, asynchroniczne wywołanie procedury zwrotnej przez serwer potwierdzenie wykonania, przekazanie żądanych danych, stwierdzenie błędu wykonania.
Rodzaje komunikacji i synchronizacji Komunikacja synchroniczna nadawca wysyła komunikat i czeka na odpowiedź od odbiorcy. wywołanie procedury zdarzenia zdalne wywołanie procedur Komunikacja asynchroniczna nadawca wysyła komunikat i kontynuuje działanie. Odbiorca odbiera i obsługuje komunikat, po czym wysyła komunikat potwierdzenia. kolejki komunikatów niektóre usługi sieciowe