Mechanizmy pracy równoległej

1. Jarosław Kuchta Mechanizmy pracy równoległej

2. 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

3. Algorytmy wzajemnego wykluczania

4. Algorytmy wzajemnego wykluczania (1) 2 P1 Czyja kolej {1/2} P1 =1? P2 =2? P2 1

5. 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); } Kod algorytmu 1

6. 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.

7. Algorytmy wzajemnego wykluczania (2) P2 =N? P1 w sekcji krytycznej {T/N} N T P1 P2 T N P2 w sekcji krytycznej {T/N} =N? P1

8. 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); } Kod algorytmu 2

9. Wada algorytmu 2 • Nie zabezpiecza przed blokadą

10. 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); } Algorytm 3 – ustawianie c1 i c2 przed oczekiwaniem

11. Wada algorytmu 3 • Również nie zabezpiecza przed blokadą

12. 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); } Algorytm 4 – wydłużone oczekiwanie

13. Wada algorytmu 4 • W specyficznej sytuacji nie zabezpiecza przed blokadą

14. 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); } Algorytm Dekkera – połączenie algorytmu 1. i 4.

15. Mechanizmy niskopoziomowe

16. Przerwania wątek podstawowy przerwanie o niższym priorytecie przerwanie o wyższym priorytecie

17. Przerwania maskowalne wątek podstawowy czas maskowania przerwań obsługa przerwań zgłoszenia przerwań

18. Przerwania niemaskowalne wątek podstawowy czas maskowania przerwań obsługa przerwań zgłoszenia przerwań

19. Przerwania w systemie równoległym • Wykorzystanie maskowania do ochrony sekcji krytycznej • W systemie wieloprocesorowym brak gwarancji ochrony sekcji krytycznej

20. Mechanizmy ochrony pamięci • Arbitraż dostępu do pamięci • Nieznana kolejność dostępu

21. 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) { … }

22. Mechanizmy wysokopoziomowe

23. Zmienna całkowita podnoszenie opuszczanie Wada: programowanie niestrukturalne Semafor

24. Monitor • Nadzoruje dostęp do wspólnego zasobu. • Tylko jeden proces ma dostęp w danej chwili.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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

29. Gniazdo (socket) • dwukierunkowy punkt końcowy połączenia • umożliwia wysyłanie i przyjmowanie danych • wykorzystywane przez aplikacje do komunikacji międzyprocesowej przez sieć (Internet)

30. 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.

31. Usługa sieciowa (WebService) • Niezależna od platformy sprzętowo-programowej 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.

32. 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.

33. 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