INF3140 Modeller for parallellitet INF3140/4140: Semaforer

Transkript

1 INF3140/4140: Semaforer Uke 3, side 1.

2 I dag Symmetriske barrierer Semaforer Verktøy for synkroniseringsprotokoller Skal se flere klassiske problemstillinger Uke 3, side 2.

3 Symmetriske barrierer Alle nodene spiller samme rolle (ingen egen Koordinator-prosess) Mer effektiv hvis arbeidsoppgavene tar ca. like lang tid Arbeiderne eksekverer samme kode n-prosess barriere bygges opp v.h.a. 2-prosess barrierer: Hver prosess har ett flagg som settes når man kommer til barrieren Venter på at den andre sitt flagg skal settes før begge forsetter Uke 3, side 3.

4 Symmetriske barrierer int arrive1 = 0, arrive2 = 0 W1 W2 < await (arrive1 == 0);> < await (arrive2 == 0);> arrive1 = 1; arrive2 = 1; < await (arrive2 == 1);> < await (arrive1 == 1);> arrive2 = 0; arrive1 = 0; Hvis prosessene har flere synkroniseringspunkter, må W1 vente til W2 har nullstiltarrive1 før den kan ankomme neste barriere. Generalisering Til n-prosesser ved kombinasjon av 2-prosess barrierer Beste løsning: Binære kombinasjoner som gir barrierer på log 2 n trinn Hver prosess synkroniserer med forskjellige prosesser i hvert trinn Uke 3, side 4.

5 Implementasjon av KR KR kan implementeres ved < await (!lock) lock = true;> Inngangsportal kritiske programsetninger < lock = false;> Utgangsportal Implementasjon ved spinnelås: while (TS(lock)) skip; Implementerer < await (!lock) lock = true;> Svakhet ved denne tilnærmingen: Busy waiting protokoller blir fort kompliserte Uklart skille mellom bruk av variable til synkronisering og utregning Busy waiting lite effektivt hvis færre prosessorer enn prosesser Uke 3, side 5.

6 Semaforer Ønskelig med spesielt verktøy for synkroniseringsprotokoller Semaforer : Første tilnærming til dette problemet (Dijkstra 1968) Gjør det lett å beskytte KR Disiplinert metode for å implementere signallering og skedulering Inkludert i alle standard biblioteker for tråder og parallell programmering Kan implementeres på ulike måter, som busy waiting Uke 3, side 6.

7 Jernbanesemaforer Semaforkonseptet kommer fra jernbanen Jernbanesemaforer er signalleringsflagg langs togskinnene Gir beskjed om jernbanesporet er klart eller i bruk av et annet tog Programsemaforer Virker på samme måte Grunnleggende signalleringsmekanisme Kan brukes til å implementere mutex og betingelsessynkronisering. Uke 3, side 7.

8 Semaforer: konsept En semafor er en spesiell type programvariabel. Kan bare manipuleres ved to atomære operasjoner P : venter på signal (ønske om å passere) V : signaliserer en hendelse (frigi) Verdien til en semafor er et ikke-negativt heltall. Uke 3, side 8.

9 Semaforer: syntaks I språket deklareres og anvendes en semafor ved: sem s; Ved default initieresstil verdi 0, mulig å initiere semaforer til andre verdier. P(s) V(s) Inngangsprotokoll Implementasjon: < await (s>0) s = s-1; > Utgangsprotokoll Implementasjon: < s = s+1; > Uke 3, side 9.

10 Binær semafor Mulige verdier for semaforen: 0 og 1. Generell semafor Mulige verdier for semaforen: alle ikke-negative heltall Fairness Som for await-setninger. Hvis mange prosesser venter på å få utførep-operasjoner, vil de i de fleste språk bli vekket i samme rekkefølge som de ble satt til å vente. Uke 3, side 10.

11 Eksempel: Mutex Mutex implementert ved binær semafor: sem mutex = 1; process CS[i = 1 to n] { while (true) { P(mutex); KR V(mutex); Ikke KR Semaforenmutex er initiert til 1 og alltid P før V: Binær semafor Uke 3, side 11.

12 Delt binær semafor Delte binære semaforer implementerer mutex: Anta at vi er gitt mer enn én binær semafor Anta initielt at én av semaforene har verdi 1 og resten har verdi 0. Anta så at prosesser begynner med et kall tilppå en semafor og avslutter med et kall tilvpå en (annen) semafor. Da vil prosessene eksekvere i mutex: Hvis én prosess er i KR, vil alle semaforene ha verdi 0 og alle andre prosesser må vente før de kan fullføre sinp-operasjon. Uke 3, side 12.

13 Delt binær semafor (2) Ser på produsent / konsument eksemplet. Labuf være et buffer. En produsent gjør put -operasjoner påbuf. En konsument gjør get -operasjoner påbuf. Angir grenseverdiene tilbuf vha semaforer: sem empty = 1; sem full = 0; En produsent kan gjøre put -operasjoner når den kan passereempty. En konsument kan gjøre get -operasjoner når den kan passerefull. empty ogfull utgjør en delt binær semafor. Uke 3, side 13.

14 Eksempel: Produsent / Konsument Ser først på tilfellet med én plass i bufferet: typet buf; /* Buffer av en eller annen type T */ sem empty = 1, full = 0; process Producer{ while (true){. P(empty); buf = data; V(full); process Consumer{ while (true){. P(full); result = buf; V(empty); Uke 3, side 14.

15 Generalisering til flere plasser i bufferet (1) Eksempelet tvinger Produsent og Konsument til å holde samme fart. De må aksessere bufferet annenhver gang. Det er rett frem å generalisere til buffer av en gitt størrelse n. Bufferet implementerer en kø av verdier som er produsert, men ikke konsumert. Generelle semaforer holder orden på antall fulle og ledige plasser i bufferet. Lafront ogrear være heltall som hhv. peker til første plass i bufferet og til plassen etter siste verdi. Uke 3, side 15.

16 Generalisering til flere plasser i bufferet (2) Tilfellet med begrenset bufferstørrelse n: typet buf[n]; /* Array av en type T */ int front = 0, rear = 0; sem empty = n, full = 0; process Producer{ while (true){. P(empty); buf[rear] = data; rear = rear + 1 % n; V(full); process Consumer{ while (true){. P(full); result = buf[front]; front = front + 1 % n; V(empty); Uke 3, side 16.

17 Generalisering til mange prosesser (1) Anta nå at det er flere produsenter og konsumenter. Unngå at to produsenter skriver tilbuf[rear] førrear oppdateres: Flere produsenter kan ikke utføre put -operasjoner samtidig. Unngå at samme element leses to ganger: Flere konsumenter kan ikke utføre get -operasjoner samtidig. Dette løses ved å legge til to binære semaforer: mutexput ogmutexget. Uke 3, side 17.

18 Generalisering til mange prosesser (2) Programmet kombinerer nå 3 ulike synkroniseringsproblemer: produsent vs. konsument: empty ogfull produsent vs. produsent: mutexput konsument vs. konsument: mutexget De ulike synkroniseringsproblemene løses ved ulike semaforer. Uke 3, side 18.

19 Generalisering til mange prosesser (3) typet buf[t]; int front = 0, rear = 0; sem empty = n, full = 0, mutexput = 1, mutexget = 1; process Producer[i = 1 to M]{ while (true){. P(empty); P(mutexPut); buf[rear] = data; rear = rear + 1 % n; V(mutexPut); V(full); process Consumer[i = 1 to N]{ while (true){. P(full); P(mutexGet); result = buf[front]; front = front + 1 % n; V(mutexGet); V(empty); Uke 3, side 19.

20 Eksempel: Barrieresynkronisering Bruker delte binære semaforer som barrierer. sem arrive1 = 0, arrive2 = 0; process Arbeider1 {. V(arrive1); ankommer barrieren P(arrive2); venter på øvrige prosesser. process Arbeider2 {. V(arrive2); ankommer barrieren P(arrive1); venter på øvrige prosesser. Uke 3, side 20.

21 Eksempel: De spisende filosofer Fem filosofer sitter rundt et bord. Hver filosofer veksler mellom følgende to aktiviteter: tenke spise nudler Filosofene trenger to spisepinner for å kunne spise. Dessverre finnes bare 5 spisepinner, én mellom hvert par med filosofer. Uke 3, side 21.

22 De spisende filosofer (2) process Philosopher [i = 0 to 4] { while (true) { think; acquire chopsticks; eat; release chopsticks; Vi kan her se på spisepinnene som felles ressurser. Tenk på hver spisepinne som en lås til en kritisk region. En filosof kan ta en spisepinne ved å utføre enp-operasjon på den, og slippe den igjen ved å utføre env-operasjon. Vi lar filosofene plukke opp venstre spisepinne først og den høyre etterpå. Uke 3, side 22.

23 De spisende filosofer (3) sem chopstick[5] = ( [5] 1) process Philosopher [i = 0 to 4] { while (true) { think; P(chopstick[i]); P(chopstick[(i+1)%5]); eat; V(chopstick[i]; V(chopstick[(i+1)%5]); Hva med deadlock? Uke 3, side 23.

24 De spisende filosofer (4) For å unngå deadlock, lar vi Philosopher4 plukke opp høyre spisepinne først. sem chopstick[5] = ( [5] 1) process Philosopher [i = 0 to 3] { while (true) { think; P(chopstick[i]); P(chopstick[i+1]); eat; V(chopstick[i]; V(chopstick[i+1]); process Philosopher4 { while (true) { think; P(chopstick[0]); P(chopstick[4]); eat; V(chopstick[0]; V(chopstick[4]); Uke 3, side 24.

25 Eksekvering Det er installert en kompilator for språketmpd på linuxmaskinene på ifi. Startes med kommandoenmpd (Evnt. /store/bin/mpd) man mpd await-setninger er ikke støttet Semaforer er støttet! Sehttp:// for oversikt Uke 3, side 25.

26 Hello world Filenhello.mpd: resource hello() write("hello world.") end Inkludér alltid de magiske ordeneresource ogend Kompilering og kjøring: $ mpd -o hello hello.mpd $./hello Hello world. $ Uke 3, side 26.

27 De spisende filosofer resource phil() sem chopstick[0:4] = ([5] 1) process Philosopher [i = 0 to 3] { int eat = 0, think = 0; while (true) { think = think + 1; writes( Think,i,think); nap(200) # think; P(chopstick[i]); P(chopstick[i+1]); eat = eat + 1; writes( Eat,i,eat); nap(200) # eat; V(chopstick[i]); V(chopstick[i+1]); process Philosopher4 {... end Uke 3, side 27.

28 Leser og skriver problemet Klassisk synkroniseringsproblem Problembeskrivelse Leser- og skriverprosesser deler en felles ressurs (database). Leseres transaksjoner kan lese informasjon fra DB Skriveres transaksjoner kan lese og oppdatere informasjon i DB Antar at DB er initielt konsistent og at hver transaksjon isolert sett vedlikeholder konsistens. For å unngå interferens mellom transaksjonene, krever vi at Skrivere har eksklusiv tilgang til DB. når ingen skriver har tilgang, kan et vilkårlig antall lesere utføre sine transaksjoner samtidig. Uke 3, side 28.

29 Løsning ved Mutex (1) Tilnærming: DB som kritisk region Larw være en mutex semafor: sem rw = 1; sem rw = 1; process Leser [i = 1 to M] { while (true) {. P(rw); Les i DB V(rw); Men: Ønsker flere lesere samtidig process Skriver [i = 1 to N] { while (true) {. P(rw); Skriv i DB V(rw); Uke 3, side 29.

30 Løsning ved Mutex (2) Aksess for flere lesere Lesere må utelukke skrivere, men flere lesere samtidig er akseptabelt. Den første leseren tar låsen, påfølgende lesere går rett inn int nr = 0; sem rw = 1; # teller antall lesere # lås for leser / skriver eksklusjon process Leser [i = 1 to M] { while (true) {. < nr = nr + 1; if (nr == 1) P(rw); > Les i DB < nr = nr - 1; if (nr == 0) V(rw); > process Skriver [i = 1 to N] { while (true) {. P(rw); Skriv i DB V(rw); Uke 3, side 30.

31 Løsning ved Mutex (3) Implementasjon av leseren int nr = 0; sem rw = 1; sem mutexl = 1; # antall lesere # lås for leser / skriver eksklusjon # mutex for lesere process Leser [i = 1 to M] { while (true) {. P(mutexL); nr = nr + 1; if (nr == 1) P(rw); V(mutexL) Les i DB P(mutexL); nr = nr - 1; if (nr == 0) V(rw); V(mutexL) Bruker forskjellige semaforer til forskjellige synkroniseringsproblemer Uke 3, side 31.

32 Løsning ved Mutex (4) Preferanse for lesere Anta at en leser har aksess til DB. Hvis en ny leser ønsker aksess, vil denne få aksess til DB med en gang. Hvis både en leser og en skriver ønsker aksess, vil leseren få aksess med en gang mens skriveren må vente. En kontinuerlig strøm av lesere vil dermed effektivt blokkere for skrivertilgang til DB Denne løsningen er derfor ikke fair for skrivere. Uke 3, side 32.

33 Løsning med buffersynkronisering (1) Mutex-løsningen synkroniserte to uavhengige KR problemer leser vs. skriver leser vs. leser Nå skal vi i stedet bruke en delt binær semafor. Synkroniseringskravet for leser / skriver : en skriver trenger eksklusiv adgang, mange lesere kan ha adgang samtidig. Uke 3, side 33.

34 Løsning med buffersynkronisering (2) Global invariant Anta at vi har to tellere nr nw antallet lesere antallet skrivere Synkroniseringskravet kan formuleres som: RW: (nr == 0 or nw == 0) and nw <= 1 Hvis vi kan gjørerw til en global invariant, har vi løst leser / skriver problemet. Uke 3, side 34.

35 Løsning med buffersynkronisering (3) Telleroppdatering Da trenger vi kode for å oppdatere tellerne: Leser: Skriver: < nr = nr + 1; > < nw = nw + 1; > Lese i DB Skrive i DB < nr = nr - 1; > < nw = nw - 1; > Legger betingelser på de atomære aksjonene for å opprettholde invarianten. Før økning avnr: (nw == 0) Før økning avnw: (nr == 0 and nw == 0) Uke 3, side 35.

36 Løsning med buffersynkronisering (4) int nr = 0, nw = 0; ## RW: (nr == 0 or nw == 0 ) and nw <= 1 process Leser [i=1 to M] { while (true) {. <await (nw == 0) nr = nr + 1;> Lese i DB < nr = nr - 1; > process Skriver [i=1 to N] { while (true) {. <await (nr == 0 and nw == 0) nw = nw + 1;> Skrive i DB < nw = nw - 1; > Uke 3, side 36.

37 Løsning med buffersynkronisering (5) Delte binære semaforer Implementasjon avawait-setninger gjøres med delte binære semaforer. Kan brukes til å implementere vilkårlige synkroniseringsproblemer med forskjellige vakterb 1, B 2... Bruke en entry-semafor (e) initiert til 1 For hver vaktb i : assosier en teller og en delay-samafor, begge initiert til 0 Semaforen: oppholde prosessene som venter påb i Telleren: telle antall prosesser som venter påb i For leser/skriver eksemplet trenger vi da tre semaforer og to tellere: sem e = 1; sem r = 0; int dr = 0; # betingelse leser: nw == 0 sem w = 0; int dw = 0; # betingelse skriver: nr == 0 and nw == 0 Uke 3, side 37.

38 Løsning med buffersynkronisering (6) e, r ogwutgjør en delt binær semafor: Max én har verdien 1 Alle eksekveringsstier starter med P-operasjon og ender med V-operasjon Mutex Signalere slik at invarianten holder B i holder når en prosess starter KR fordi: enten prosessen sjekker det selv, eller prosessen signalleres bare nårb i holder Unngår deadlock fordi delay-semaforene signalleres bare når noen venter på dem (sjekkes v.h.a. tellerne) Trenger signalleringsmekanismesignal som sender signal til riktig semafor. Uke 3, side 38.

39 Løsning med buffersynkronisering (7) int nr = 0, nw = 0; int dr = 0; int dw = 0; sem e = 1; sem r = 0; sem w = 0; process Leser [i=1 to M] { # Inngangsbetingelse: nw == 0 while (true) {. # <await (nw == 0) nr = nr + 1;> P(e); if (nw>0) { dr=dr+1; V(e); P(r); nr=nr+1; SIGNAL; Lese i DB # < nr = nr - 1; > P(e); nr=nr-1; SIGNAL Uke 3, side 39.

40 Løsning med buffersynkronisering (8) process Skriver [i=1 to N] { # Inngangsbetingelse: nw == 0 and nr == 0 while (true) {. # <await (nr == 0 and nw == 0) nw = nw + 1; > P(e); if (nr> 0 or nw> 0) { dw=dw+1; V(e); P(w); nw = nw + 1; SIGNAL; Lese i DB # < nw = nw - 1; > P(e); nw = nw - 1; SIGNAL; Uke 3, side 40.

41 Løsning med buffersynkronisering (9) SIGNAL: if (nw == 0 and dr > 0) { dr = dr -1; V(r); elseif (nr == 0 and nw == 0 and dw > 0) { dw = dw -1; V(w); else V(e); # vekker leser # vekker skriver # slipper KR Koden kan forenkles i mange tilfeller Uke 3, side 41.

42 Delt Binær Semafor Boka kaller slik bruk av delt binær semafor for Passing the Baton Gjør det mulig å implementere vilkårlig synkroniseringsbetingelse Har fått navn p.g.a. signaleringsmekanismen Sender stafettpinnen videre til en ventende prosess slik at ventebetingelsen holder Hvis ingen venter eller kan slippe til, gjøres pinnen tilgjengelig for alle (V(e)) Skedulerings-strategier Løsningen vi har sett gir fremdeles preferanse til lesere. Imidlertid har vi eksplisitt kontroll med skedulering. F. eks. lett å endre slik at Skrivere har prioritet over lesere Lesere og skrivere har lik prioritet Uke 3, side 42.