Modulo sulla concorrenza

1. Modulo sulla concorrenza Gabriella Pasi e Carla Simone (dai lucidi tratti dal sito del libro di Jeff Magee e Jeff Kramer)

2. Libro di testo Concurrency:State Models & Java Programs Jeff Magee & Jeff Kramer WILEY

3. Obbiettivi di questo modulo In questo modulo di lezioni sono presentano i concetti fondamentali relativi alla definizione di specifiche (modelli) di programmi concorrenti. NON sono presentati aspetti di programmazione concorrente in Java, che saranno affrontati nel corso di sistemi operativi. Gli aspetti di modellazione sono di estrema importanza per una corretta comprensione e definizione di sistemi concorrenti, e per ragionare in termini di concorrenza

4. Programma • Concetti • si presenta un approccio modellistico alla specifica e alla costruzione di programmi concorrenti • Modelli • Labelled Transition Systems (LTS) Costrutti grafici • Reti di Petri SA (ad automi sovrapposti) • Finite State Process (FSP) notazione algebrica • Esempi

5. Cos’è un programma concorrente? Un programma sequenziale ha un singolo “thread” di controllo. Un programma concorrente ha più “thread” di controllo che permettono sia la realizzazione di computazioni multiple sia il controllo di attività esterne che si presentano contemporaneamente.

6. Thread Thread: filone, filo del discorso Thread: [1] Una delle parti di un processo (applicazione in fase di esecuzione). Ogni thread dispone di una parte di memoria e di un gruppo di registri della CPU. Quando il thread termina (quando cioè termina la singola fase all'interno dell'esecuzione dell'applicazione) la memoria e gli oggetti di sistema che utilizzava vengono liberati. Quando termina l'ultimo thread di un processo, termina anche il processo, e quindi l'applicazione. Il termine multithreading denota l’esecuzione contemporanea di più thread [2] In un newsgroup Usenet (in Internet) identifica i messaggi con un medesimo argomento.

7. Perché la Programmazione Concorrente? • Migliori prestazioni in caso di hardware multiprocessore • parallelismo • Applicazioni distribuite • Incremento velocità di trasferimento dati (throughput)tra applicazioni • Incremento dei tempi di risposta delle applicazioni • thread di alta priorità per le richieste utenti. • Strutturazione • nel caso di programmi che interagiscono con l’ambiente, controllo di attività multiple e gestione di eventi multipli.

8. modelli Un modello è una rappresentazione semplificata della realtà. • focalizzazione su un aspetto di interesse - concorrenza • animazione dei modelli per verificare un comportamento • verifica di proprietà (ad esempio sicurezza & vivezza)

9. modelli In questo contesto i modelli sono descritti per mezzo di automi a stati finiti. Diversi metodi di rappresentazione grafica: • Labelled Transition Systems LTS. Da un punto di vista notazionale in alcuni casi un processo non è ben distinto dal suo comportamento Da un punto di vista notazionale un processo è sempre ben distinto dal suo comportamento • Reti di Petri Un modello grafico può essere descritto linguisticamente mediante il linguaggio FSP (finite state processes) e, se denotato mediante LTS, può essere visualizzato e analizzato per mezzo dello strumento di analisi LTSA.

10. Materiale su Web • esempi in Java • esempi di modelli a stati • Il tool “Labelled Transition System Analyser (LTSA)” per animare i modelli LTS e per verificarne le proprietà. http://www-dse.doc.ic.ac.uk/concurrency/

11. Capitolo 2 Processi & Thread

12. Processi concorrenti I sistemi complessi sono strutturati come insiemi di attività semplici ognuna rappresentata come processo sequenziale. I processi possono sovrapporsi o essere concorrenti. La concorrenza può essere intrinseca al mondo fisico, oppure introdotta per ottimizzare i tempi di esecuzione o per gestire comunicazioni. La programmazione concorrente è complessa e può facilmente introdurre errori. Un approccio rigoroso è essenziale Processo come sequenza di azioni Modellazione di processi come macchine a stati finiti A livello di programmazione: thread in Java.

13. Modellazione di Processi Modelli descritti mediante macchine a stati, quali Reti di Petri e Labelled Transition Systems LTS. Queste possono essere descritte linguisticamente per mezzo di una notazione algebrica, detta finite state processes (FSP) Notazioni con espressività diversa! Vedremo perchè • LTS- Reti di Petri forma grafica • FSP - forma algebrica

14. Reti di Petri on off Modellazione di Processi Un processo è l’esecuzione di un programma sequenziale. E’ modellato come una macchina a stati finiti che transita da stato a stato per mezzo dell’esecuzione di azioni atomiche. Un interruttore LTS onoffonoffonoff ………. Una sequenza di azioni o “trace” comportamento

15. FSP - azioni e processi • Se x è un’azione e P un processo (x-> P) descrive un processo che inizialmente esegue l’azione x e poi si comporta esattamente come P. ATTIVAZIONEUNICA = (unavolta -> STOP). Convenzione: le azioni hanno lettera iniziale minuscola i PROCESSI hanno lettera iniziale maiuscola

16. FSP - ricorsione Un comportamento ripetitivo si modella mediante ricorsione: ATTIVAZIONE = OFF, OFF = (on -> ON), ON = (off -> OFF). Definizione più sintetica: ATTIVAZIONE = OFF, OFF = (on -> (off -> OFF)). E ancora: ATTIVAZIONE = (on -> off -> ATTIVAZIONE).

17. Animazione per mezzo del “tool” LTSA Il programma LTSA può essere usato per produrre una “trace”. Nella rappresentazione LTS associata, l’ultima azione è evidenziata in rosso.

18. rosso rosso giallo verde giallo verde giallo giallo FSP - action prefix modello FSP di un semaforo : SEMAFORO = (rosso->giallo->verde->giallo->SEMAFORO). LTS : Reti di Petri Trace: rossogialloverdegiallorossogialloverde …

19. FSP - costrutto di selezione • Se x e y sono azioni, (x-> P | y-> Q) descrive un processo che inizialmente realizza una delle due azioni x o y. Dopo l’esecuzione della prima azione, il comportamento successivo è descritto da P se la prima azione è stata x, da Q se la prima azione è stata y. Chi o che cosa compie la scelta? C’è una differenza tra azioni di input e output?

20. blu rosso rosso blu caffè caffè thè thè FSP - scelta Modello FSP di una macchina distributrice di bevande: DISTRIBUTORE = (rosso->caffè->DISTRIBUTORE |blu-> thè-> DISTRIBUTORE). Reti di Petri LTS

21. Lanciare una moneta Scelta non deterministica • Il processo (x-> P | x -> Q) descrive un’azione iniziale x e un comportamento successivo modellato da P o Q. LANCIOMONETA = (lancio->TESTA|lancio->CROCE), TESTA = (vistesta->LANCIOMONETA), TAILS= (viscroce->LANCIOMONETA).

22. lancio lancio A) lancio vistesta viscroce vistesta lancio lancio B) viscroce vistesta viscroce Scelta non deterministica Lanciare una moneta Reti di Petri LTS :

23. in error out Modellare errori (eccezioni) Come si può modellare un canale di comunicazione inaffidabile che accetta un input (in) e produce un output solo nel cas in cui non si presenti un errore? Uso del non-determinismo ... CHAN = (in->CHAN |in->out->CHAN). LTS : Reti di Petri

24. FSP - processi e azioni indicizzati Buffer che prende in input un valore nell’intervallo 0 .. 3 e restituisce in output quel valore: BUFF = (in[i:0..3]-> out[i]-> BUFF). equivalente a: BUFF = (in[0]->out[0]->BUFF |in[1]->out[1]->BUFF |in[2]->out[2]->BUFF |in[3]->out[3]->BUFF ). O, usando un parametro di processo con valore di default: BUFF(N=3) = (in[i:0..N]->out[i]-> BUFF).

25. FSP - selezione su condizione • La selezione (when B x -> P | y -> Q) significa che quando la condizione B è verificata allora è possibile scegliere sia l’azione x sia l’azione y, altrimenti se B non è verificata l’azione x non può essere scelta. COUNT (N=3) = COUNT[0], COUNT[i:0..N] = (when(i<N) inc->COUNT[i+1] |when(i>0) dec->COUNT[i-1] ).

26. FSP - selezione su condizione Valore 0 inc Valore 1 dec inc Valore 2 dec inc Valore 3 dec