André Carvalho

1. Inversões de Prioridade Não Limitadas em Sistemas de Tempo Real e um Estudo das Possíveis Soluções… (Ufa !) João Lopes Paulo Felício André Quinta André Carvalho

2. Inversões de Prioridade • Uso frequente de algoritmos de escalonamento por prioridade com preempção • Contenção no acesso a recursos partilhados por tarefas de diferentes prioridades • Tarefas de elevada prioridade atrasadas pela execução de tarefas de menor prioridade

3. Inversões de Prioridade • Na análise de escalonabilidade, cada tarefa tem que acomodar, entre a activação e a deadline : • Tempo de execução • Tempo de preempção • Tempo de bloqueio • É necessário minimizar a duração da inversão de prioridades, através do estudo da sua fonte, melhorando a previsibilidade.

4. Fontes de Inversão de PrioridadeSemáforos e regiões críticas • Primitivas comuns de regulação do acesso a recursos a recursos partilhados • Regiões críticas : • Segmentos de código que acedem a recursos partilhados • Executados de forma mutuamente exclusiva • Cada tarefa tem que obter o bloqueio do semáforo pretendido antes de entrar na região crítica • É bloqueada caso não o consiga, ficando em fila de espera Será que é suficiente na limitação do atraso máximo ?

5. Fontes de Inversão de PrioridadeSemáforos e regiões críticas T1 Prioridade T2 T3

6. Fontes de Inversão de PrioridadeSemáforos e regiões críticas T1 Prioridade T2 T3

7. Fontes de Inversão de PrioridadeFilas deespera Q1 Q2 Q3

8. Primitivas de SincronizaçãoInibição de Preempção • Como prevenir uma unbounded priority inversion ? • Inibir a preempção na execução de uma tarefa • Quando uma tarefa de prioridade inferior está dentro da sua região critica não deixar que haja preempção por uma tarefa que tenha prioridade maior. • Isto pode ser feito desactivando a preempção durante a execução de todas as regiões criticas. • Vantagens • Implementação simples • Eficaz desde que a duração da maior região crítica seja menor que a mais pequena das deadlines • Desvantagens • Tarefas de prioridade alta podem ser bloqueadas pelas de prioridade baixa.

9. Primitivas de SincronizaçãoInibição de Preempção Quando existe preempção provocada por um dispositivo externo. • Podemos inibir a preempção através de Interrupts • O acesso com exclusão mútua será garantido se: A inibição das interrupções for feita antes da execução da região critica. Sendo activada, após execução da região critica. • Vantagens • Não usa tempo de processador (ao desactivar e activar os interrupts). • Pode ser usado por algoritmos de prioridades estáticas ou dinâmicas. • Cada tarefa só pode bloquear uma vez, com a duração da maior das regiões críticas das tarefas de menor prioridade. • Desvantagens • Só deve ser usada com regiões criticas muito curtas. • Corre-se o risco de perder interrupts quando a inibição dos interrupts não é curta.

10. Primitivas de SincronizaçãoInibição de Preempção T1 Prioridade T2 T3

11. Primitivas de SincronizaçãoInibição de Preempção O Priority Ceiling Protocol Emulation • A ideia é fazer um disable selectivo da preempção. • Inibe-se as possíveis preempções de tarefas com prioridade média, elevando-se suficientemente a prioridade das tarefas de prioridade inferior. • A prioridade mais alta de todas as tarefas em contenção (que fechará o semáforo) será copiada para um campo associado ao semáforo (esta prioridade designa-se Priority Ceiling) • Quando uma tarefa faz a chamada ao SO para abrir o semáforo fechado, o SO atribui à tarefa a prioridade necessária para o abrir. • Apenas uma tarefa, de entre as que podem fechar o semáforo, pode estar na sua região critica em qualquer momento. • Vantagens • método mais eficaz na inibição das preempções • Livre de Deadlock - só uma tarefa pode estar na região critica • Desvantagens • Uma tarefa pode ser bloqueada por uma tarefa de menor prioridade (quando ocorre auto suspensão das tarefas de menor prioridade)

12. Priority Inheritance ProtocolProtocolo de Herança de Prioridades • A tarefa T3 começa a executar, usando um determinado recurso partilhado. • A tarefa T1, após ter iniciado, precisa de aceder à região crítica “ocupada” por T3. É bloqueada e dá a T3 prioridade P1 HERANÇA de PRIORIDADE T1 Prioridade T2 • Enquanto T3executa, T2 fica pronta mas é bloqueada por T3. T3 • T3 sai da região crítica e volta logo a ter prioridade P3. • T1 executa até ao fim, não deixando T2 executar (P1>P2). • T2 executa (P2>P3), e por último T3 termina.

13. Priority Inheritance ProtocolProtocolo de Herança de Prioridades Nao consigo aceder ao recurso. Estou a ser bloqueado de forma directa!!! • Quando T1 quer aceder ao recurso, esta é bloqueada de forma directa (Direct Blocking) Até queria executar mas tenho duas tarefas à minha frente!!! T1 Prioridade • Quando T2 quer executar, está impedida devido a T1 que por sua vez também o está devido a T3. Diz-se que T2 bloqueia de forma indirecta (Push Through Blocking). T2 T3 É óbvio que a duração do “Push Through Blocking” depende da região crítica.

14. Priority Inheritance ProtocolProtocolo de Herança de Prioridades Este protocolo é “bom”, porque torna-se fácil de compreeder e concretizar. Por outro lado (Há sempre outro lado!!! ) Este protocolo não resolve problemas de: • “Chained blocking” (bloqueio em cadeia) • “Deadlock”

15. Priority Ceiling Protocol Protocolo de Tecto de Prioridade Elimina a possibilidade de ocorrer chained blocking e deadlocks O tecto de prioridade de um semáforo ( S ) é a prioridade mais alta de entre as tarefas que o podem fechar Regras do PCP: • Uma tarefa pode interromper outra de menor prioridade; • Uma tarefa não pode entrar numa região crítica a não ser que a sua prioridade seja maior do que os tectos de prioridades dos semáforos fechados por outras tarefas; • Uma tarefa que bloqueie outra de maior prioridade, herda a sua prioridade (herança de prioridades)

16. Priority Ceiling Protocol Protocolo de Tecto de Prioridade Uma tarefa apenas pode fechar um semáforo quando todos os semáforos de que essa tarefa vai precisar estejam livres. Uma tarefa pode ser bloqueada por outra de menor prioridade que use um semáforo que tenha um tecto pelo menos igual à sua prioridade.

17. Mais à frente vou usar um recurso que está fechado, não posso continuar Esta tarefa tem a prioridade superior aos tectos dos semáforos fechados A seguir vou usar um recurso que está fechado, vou dar a minha prioridade Alguém com maior prioridade interrompeu-me Priority Ceiling Protocol Protocolo de Tecto de Prioridade S0 = P1 S1 = P1 S1 = P2

18. Priority Ceiling Protocol Protocolo de Tecto de Prioridade Pros and cons: • Ao contrário do PIP, não há chained blocking nem deadlocks • De concretização mais difícil, uma vez que são necessários novos campos tanto para o TCB como para os semáforos • É necessária uma programação mais cuidada por parte do programador

19. Frase do dia: “Priority Ceiling means that while a thread owns the mutex it runs at a priority higher than any other thread that may acquire the mutex.” Bibliografia: Artigo de Sadegh Davari, Lui Sha "Sources of Unbounded Priority Inversions in Real-Time Systems and a Comparativ Study of Possible Solutions"Operating Systems Review, 26(2):110-120. ACM Press. April 1992.