Systèmes d’exploitation

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1 Systèmes d’exploitation
Processus interblocage

2 Introduction De nombreuses applications nécessitent un accès exclusif à plusieurs ressources (ex : impression d’un fichier depuis une disquette) PB : dans un système multiprogrammé, plusieurs processus peuvent désirer accéder aux mêmes ressources exclusives Ex : 2 processus qui veulent imprimer un fichier contenu sur une disquette Proc A requiert l’imprimante et l’obtient Proc B monte la disquette A essaye de monter la disquette, malheureusement B ne la libère pas et demande l’imprimante A ce stade les 2 processus sont bloqués et le resteront indéfiniment Cette situation est appelée interblocage (deadlock) Les interblocages peuvent intervenir dans bien d’autres situations que l’accès à des périphériques d’E/S Ex : l’accès à 2 enregistrements d’une BD Les interblocages peuvent donc se produire sur des ressources matérielles et logicielles

3 Les ressources Une ressource est un objet allouable par un seul processus à la fois Elle peut être un périphérique matériel ou une information 2 types de ressources : préemptibles ou non Ressource préemptible = ressource qui peut être retirée sans risque au processus qui la détient (ex : le CPU) En général, les interblocages concernent les ressources non préemptibles (ex : imprimante) L’utilisation d’une ressource produit 3 événements : Demande de la ressource Utilisation de la ressource Libération de la ressource Nous considérons qu’un processus demandant une ressource déjà allouée est bloqué (ou en sommeil)

4 Interblocages : définition
Un ensemble de processus est en interblocage si chaque processus attend un événement que seul un autre de l’ensemble peut engendrer Comme tous les processus attendent, aucun ne pourra produire l’événement pour réveiller un des autres processus La plupart du temps, l’événement attendu par un processus est la libération d’une ressource détenue par un autre Le nombre de processus, le nombre de ressources et la nature des ressources n’importent pas.

5 Conditions de survenue d’un interblocage
Coffman et al. (1971) ont montré qu’il faut réunir 4 conditions pour provoquer un interblocage : L’exclusion mutuelle : chaque ressource est soit attribuée, soit disponible La détention et l’attente : les processus qui détiennent des ressources précédemment obtenues peuvent en demander des nouvelles Pas de réquisition : les ressources obtenues par un processus ne peuvent lui être retirées contre son gré ; elles doivent être explicitement libérées par le processus qui les détient L’attente circulaire : il doit y avoir un cycle d’au moins 2 processus chacun attendant une ressource détenue par un autre processus du cycle Aucun interblocage possible si l’une de ces conditions n’est pas vérifiée

6 Modélisation des interblocages
Holt en 1972 a montré comment modéliser ces 4 conditions à l’aide de graphes 2 types de nœuds (des cercles pour les processus, des carrés pour les ressources) Un arc orienté d’une ressource vers un processus signifie que cette ressource est attribuée à ce processus Un arc orienté d’un processus vers une ressource signifie que le processus est bloqué en attente de cette ressource Un cycle dans le graphe signale un interblocage R A S U T D C B A détient R B demande S Interblocage

7 Exemple d’interblocage
3 processus (A,B,C) et 3 ressources (R,S,T) 1. A demande R 6. C demande R R S T A B C 2. B demande S 3. C demande T 5. B demande T 4. A demande S CYCLE INTERBLOCAGE

8 SE face aux interblocages
Le SE n’est pas tenu d’exécuter les processus dans un ordre particulier S’il constate que l’allocation d’une ressource peut conduire à un interblocage, il peut simplement suspendre le processus qui effectue la requête En général, il existe 4 stratégies pour traiter les interblocages : Ignorer complètement le problème Les détecter et y remédier Les éviter dynamiquement en allouant les ressources avec précaution Les prévenir en empêchant l’apparition d’une des 4 conditions

9 La politique de l’autruche
Un problème mais où çà ? Approche la + simple : mettre la tête dans le sable en prétendant qu’il n’a aucun problème Pour les matheux : comportement inacceptable Pour les ingénieurs : cherchent à connaître la fréquence du phénomène et le nombre de fois où le système s’arrête pour d’autres raisons ! UNIX ne détecte pas les interblocages Ex : Table des processus (100 places), 10 programmes s’exécutent et créent chacun 12 fils  table pleine lorsque les 10 processus originaux auront chacun créé 9 fils, chacun des processus effectuant une boucle infinie en essayant de créer un nouveau processus : il y a interblocage ! PB : le prix à payer pour éliminer les interblocages est élevé ! Trouver un compromis entre commodité et exactitude et tenter de déterminer lequel de ces facteurs est le plus important pour quelle catégorie d’utilisateurs Difficile de trouver des solutions générales !

10 Détection et reprise Deuxième technique : la détection et la reprise
Le système ne cherche pas à empêcher les interblocages Il les laisse se produire, puis tente de les détecter et d’y remédier à posteriori

11 Détection avec une seule ressource d’un type donné
Cas le plus simple : il n’existe qu’une seule ressource d’un certain type Dans ce cas, la recherche de cycle dans le graphe d’allocation des ressources est suffisant Un algo simple de recherche de cycle : Pour chaque nœud N du graphe : Initialiser L à vide et démarquer les arcs Si NL alors cycle, sinon ajouter N à L S’il existe des arcs non marqués partants de N goto 5, sinon goto 6 Prendre un arc et le marquer, atteindre le nœud destination et goto 3 Revenir au nœud précédent et goto 4

12 Détection avec plusieurs ressources d’un type donné (1)
Soit, n le nombre de processus Pi Soit m, le nombre de catégorie de ressources Ei ; Ei=2 => 2 ressources de ce type E est le vecteur de ressources existantes A un instant donné, certaines ressources sont utilisées, soit A le vecteur des ressources disponibles 2 matrices : C (matrice des allocations courantes) et R (matrice des demandes) Cij représente le nombre d’instances de la catégorie j détenues par Pi Rij représente le nombre d’instances de la catégorie j demandées par Pi Propriété : (une ressource est soit allouée, soit libre) Ex : E=( ) A=( ) 2 1 C= R=

13 Détection avec plusieurs ressources d’un type donné (2)
L’algo de détection des interblocages consistent à effectuer une comparaison de vecteurs 2 vecteurs V et W : VW ssi  i Vi Wi Idée : marquer les processus qui peuvent se terminer et qui ne sont pas en interblocage Rechercher Pi non marqué dont Ri A Si ce processus existe : A=A+Ci, marquer Pi et goto 1 Sinon fin de l’algo Tout processus non marqué est en interblocage Exemple : E=( ) A=( ) 2 1 C= R=

14 Quand détecter les interblocages ?
Première possibilité : à chaque demande de ressource Détection rapide Coûteux en temps CPU Deuxième possibilité : tous les k minutes ou lorsque l’utilisation du CPU est inférieure à un certain seuil La prise en compte de l’utilisation du CPU est intéressante, car les processus en interblocage ne s’exécutant pas, le CPU est souvent libre Reste une question : que faire lorsque l’on a détecté un interblocage ? Il faut permettre au système de se rétablir et de poursuivre son exécution Plusieurs méthodes existent, aucune n’est vraiment satisfaisante !

15 Reprise au moyen de la préemption
Retirer temporairement une ressource à un processus pour l’attribuer à un autre Dans de nombreux cas, une intervention manuelle est nécessaire Ex : impression : récupérer les feuilles déjà imprimer, suspendre le processus, laisser un autre imprimer, replacer les feuilles et permettre au processus de reprendre son impression La possibilité de retirer une ressource à un processus pour l’attribuer à un autre avant de le restituer au premier (sans qu’il ne s’en rende compte) dépend beaucoup de la nature de la ressource Le choix du processus à suspendre dépend des ressources qui peuvent être le plus facilement retirées Ce type de reprise est souvent difficile, voire impossible

16 La reprise au moyen du rollback
Si les concepteurs du système pensent que les interblocages sont probables, ils peuvent poser régulièrement des points de reprise (checkpoints) sur les processus L’état des processus est sauvegardé dans un fichier, pourra être restauré ultérieurement Le checkpoint contient l’état l’image mémoire du processus ansi que les ressources attribuées à ce processus Un nouveau checkpoint ne doit pas remplacer le précédent Lorsqu’un interblocage survient, il faut déterminer la ressource incriminée et restaurer le processus dans un état antérieur à l’acquisition de la ressource Tout le travail effectué depuis ce point de reprise est perdu

17 La reprise au moyen de la suppression des processus
Méthode la plus radicale et la plus simple : tuer un ou plusieurs processus ! Possibilité de tuer un processus du cycle, avec un peu de chance, les autres pourront poursuivre ; cette opération peut être répétée jusqu’à ce que le cycle soit rompu Autre possibilité, tuer un processus qui n’est pas dans le cycle de manière à libérer ses ressources ; le processus est choisi en fonction des ressources qu’il détient et qui sont demandées par un des processus du cycle Il est préférable de tuer un processus qui peut être entièrement réexécuté sans effets secondaires (ex : une compilation à l’inverse d’un m.a.j. de BD)

18 L’évitement des interblocages
Idée : le système ne peut-il pas attribuer une ressource que s’il est sûr que celle-ci ne provoquera pas d’interblocage ? Un tel algo existe mais il implique la nécessité de connaître à l’avance certaines informations Dans cette partie, nous allons étudier le moyen d’éviter les interblocages grâce à une allocation prudente des ressources.

19 La trajectoire des ressources
Principaux algos d’évitement sont basés sur le concept d’état sûr Représentation graphique du concept : inaccessible Sûre Non sûre A B I1 I2 I I4 Imprimante DAT I8 I7 I6 I5 p q r s t u (les 2 processus sont terminés) Région où les processus demandent l’imprimante Région où les processus demandent le DAT

20 Les états sûrs et non sûrs
Un état est dit sûr, s’il n’existe pas d’interblocage et s’il existe un moyen de satisfaire toutes les requêtes en attente, en exécutant les processus dans un certain ordre Ex : 10 instances d’une ressource unique colonne 1: processus, colonne 2 : allouée, colonne 3 : Max demande Libre : 3 7 2 C 4 B 9 3 A Etat sûr Libre : 1 7 2 C 4 B 9 3 A Libre : 5 7 2 C - B 9 3 A Libre : 0 7 C - B 9 3 A Libre : 7 - C B 9 3 A Libre : 2 7 2 C 4 B 9 A Etat non sûr Un état non sûr ne conduit pas nécessairement à un interblocage. La  entre un état sûr et non sûr est que à partir d’un état sûr, le système peut garantir que tous les processus termiront leur exécution (garantie non assurée pour un état non sûr)

21 L’algorithme du banquier pour une ressource unique
Djikstra (65) a proposé un algorithme d’ordonnancement, l’algorithme du banquier, qui permet d’éviter les interblocages Il s’inspire de la manière dont un banquier accorde des prêts à ses clients L’algo du banquier consiste à examiner chaque nouvelle requête pour voir si elle conduit à un état sûr. Si c’est le cas, la ressource demandée est allouée, sinon la requête est mise en attente. Pour voir si l’état est sûr, le banquier (l’ordonnanceur) vérifie si le nombre de ressources non allouées permet de satisfaire le client (le processus) le plus près de son maximum Si ce nombre est suffisant, l’algorithme suppose que les ressources de ce client sons restituées, puis il vérifie qu’il peut satisfaire le client qui est maintenant le plus prêt de son maximum, etc. Si tous les prêts (les ressources) peuvent être remboursées (restituées), l’état initial est déclaré sûr.

22 L’algorithme du banquier pour plusieurs ressources (1)
L’algo précédent peut être généralisé pour gérer des ressources multiples 2 matrices (ressources attribuées C et ressources encore demandées R) et 3 vecteurs (E les ressources existantes, A les ressources disponibles et P les ressources détenues [P=E-A]) Algo qui détermine si un état est sûr : Trouver une rangée Ri de R, telle que Ri  A. Si aucune rangée, il y a interblocage Supposer que Pi obtienne toutes les ressources qu’il demande et se termine. Indiquer que ce processus est achevé et ajouter ses ressources à A Répéter 1. et 2. jusqu’à ce que tous les processus soient marquées comme terminés, l’état initial dans ce cas est sûr, ou jusqu’à ce qu’il y ait un interblocage, ce ui indique que l’état initial est non sûr. Si plusieurs processus vérifient les conditions de 1., on peut prendre n’importe lequel d’entre eux puisque le nombre de ressources disponibles augmentera, ou au pire des cas, restera invariant

23 L’algorithme du banquier pour plusieurs ressources (2)
P5 1 P4 P3 P2 3 P1 cdR LPR DAT CD 2 C= E=(6342) P=(5322) A=(1020) R= Exemple : P2 demande l’imprimante, cette requête peut être satisfaire puisque P4 peut se terminer, puis P1 ou P5 et enfin les autres ; donc l’état résultant est sûr P5 demande maintenant l’imprimante, si on lui accorde A=(1000) ce qui conduit à un interblocage, P5 doit donc être suspendue Cet algo, en théorie est excellent, mais en pratique peu utile, les processus connaissant rarement à l’avance le nombre et le type de ressources dont ils auront besoin De +, le nbre de ressources n’est pas fixe, mais varie en fonction du nbre d’utilisateurs Enfin, des ressources peuvent disparaître brutalement (ex : panne) Dans, la pratique peu de systèmes mettent en œuvre l’algo du banquier

24 La prévention des interblocages
Évitement des interblocages impossible car nécessite des informations relatives à des requêtes futures qui ne sont pas connues Seul moyen d’interdire les interblocages empêcher l’apparition d’une des conditions de Coffman et al. La condition d’exclusion mutuelle La condition de détention et d’attente La condition de non-réquisition La condition d’attente circulaire

25 La condition d’exclusion mutuelle
Si aucune ressource n’est attribuée de manière exclusive, on n’aura jamais d’interblocage Cependant impossible de permettre à 2 processus d’imprimer en même temps Idée : le spoule d’impression permet à plusieurs processus de générer des résultats simultanément le démon d’impression est le seul processus qui accède à l’imprimante ce démon ne demande aucune autre ressource, le problème de l’interblocage est résolu Problèmes : cette technique ne peut s’appliquer à tous les périphériques (ex : la table des processus) concurrence des accès au disque lors du spoule peut conduire à un interblocage Ex : 2 processus ont épuisé l’espace disponible pour le spoule et aucun des deux n’a terminé => interblocage au niveau disque Mauvaise solution Néanmoins, il y a une idée qui peut être fréquemment mis en œuvre : Éviter d’allouer une ressource si cela n’est pas absolument nécessaire S’assurer qu’il y a le moins de processus possible qui peuvent la demander

26 La condition de détention et d’attente
On peut éliminer les interblocages, si l’on arrive à empêcher les processus qui détiennent déjà des ressources d’attendre pour en acquérir de nouvelles Pou cela, on peut imposer aux processus de demander les ressources dont ils ont besoin avant de commencer à s’exécuter : Si les ressources sont dispo, elles lui sont attribuées et le processus peut terminer son exécution Sinon (au moins une ressource n’est pas dispo), aucune ressource ne lui est allouée, le processus attend la libération de toutes les ressources dont il a besoin Malheureusement, beaucoup de processus ne connaissent pas à l’avance les ressources dont ils ont besoin (sinon algo du banquier et plus de problème !) Par ailleurs, les ressources ne sont pas attribuées de manière optimale (ex : un processus fait un calcul pendant une heure et l’imprime => il monopolise l’imprimante pendant une heure pour imprimer une ligne !) Néanmoins quelques systèmes à traitement par lots utilisent cette méthode Approche légèrement différente : imposer aux processus qui demandent une (ou plusieurs) nouvelle(s) ressource(s) de libérer celles qu’ils détiennent. Ils tentent ensuite d’obtenir toutes les ressources demandées en une seule fois

27 La condition de non-réquisition
Difficile de « jouer » sur cette condition ! Comment retirer l’imprimante à un processus qui est en train d’imprimer ? Ras le bol, cela fait 2 heures que tu imprimes !!! Mais je n’ai pas fini, espèce de  SUPPRIMER LES RESSOURCES

28 La condition d’attente circulaire
Première approche : limiter à 1 le nombre de ressources détenues pas un processus à un instant donné Solution inacceptable : ex : impression d’un fichier se trouvant sur bande magnétique Autre solution, numéroter toutes les ressources et appliquer la règle suivante : Les processus peuvent demander toutes les ressources qu’ils souhaitent à condition que les numéros des ressources demandées soient croissants Cette règle empêche les interblocages Preuve pour 2 processus : Interblocage si A possède la ressource i, demande j et B possède j et demande i Si i>j, A ne pourra pas demander j (violation de la règle) Si i<j, B ne pourra pas demander i (violation de la règle) Le même raisonnement s’applique à un nombre quelconque de processus Variante : ne peut demander une ressource que si son numéro est supérieur à celui de la plus haute ressource qu’il détient (au lieu d’imposer un ordre croissant) Le classement numérique élimine l’interblocage, mais il existe des cas où il ne peut pas satisfaire tous les processus

29 Prévention des interblocages Synthèse
Condition Méthode Exclusion mutuelle Spoule Détention et attente Demander toutes les ressources à l’avance Pas de réquisition Supprimer les ressources Attente circulaire Ordonner numériquement les ressources

30 Le verrouillage à 2 phases
Évitement et prévention pas efficace dans le cas général Cependant pour des applications spécifiques, il existe des algo généraux Ex : dans de nombreuses BD, on pose des verrous sur les enregistrements avant la maj => risque d’interblocage non négligeable Solution le verrouillage à 2 phases : Dans la première phase, le processus tente de verrouiller tous les enregistrements dont il a besoin l’un après l’autre S’il réussit, il entre en 2ème phase, effectue les maj et retire les verrous Sinon (un enregistrement était déjà verrouillé), le processus retire tous les verrous et recommence entièrement depuis la première phase Méthode relativement similaire à celle consistant à demander toutes les ressources à l’avance

31 Les interblocages non liés aux ressources
Des interblocages peuvent se produire dans des situations indépendantes des ressources Ex : 2 processus peuvent être en interblocage chacun attendant que l’autre effectue une certaine action Ceci arrive souvent avec les sémaphores Ex : Proc A Proc B P(mutex1) P(mutex2) P(mutex2) P(mutex1) … … Ou avec des signaux ou tout autre méthode de synchronisation Proc A Proc B pause(); pause(); kill(B,SIGHUP); kill(A,SIGHUP); … …

32 La famine La famine (starvation) est un problème lié aux interblocages
Dans un système dynamique, les demandes de ressources arrivent à tout instant, il faut décider à qui attribuer une ressource et à quel moment le faire => certains processus peuvent alors ne jamais obtenir de ressource sans être en interblocage ! Ex : allocation d’une imprimante Plusieurs processus demandent en même temps l’imprimante Auquel faut-il l’allouer ? Politique adoptable : à celui qui a le plus petit fichier à imprimer, cette approche augmente le nbre de clients heureux et semble équitable PB : un proc P veut imprimer un énorme fichier et avant que l’imprimante se libère des processus avec des petits fichiers arrivent => P meurt de faim (il est différé indéfiniment, tout en n’étant pas bloqué !) La famine peut être évitée en utilisant une politique d’allocation des ressources : premier-arrivé, premier-servi (first-come, first-serve) Cette méthode donne la ressource au processus qui attend depuis le plus longtemps Au cours du tps, tout processus sera à un instant donné le plus vieux et obtiendra la ressource