Chap. 71 Chapitre 7 continuation n Problèmes classiques de synchronisation n Lecteurs - Écrivains n Les philosophes mangeant n Moniteurs n Threads en Java.

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1 Chap. 71 Chapitre 7 continuation n Problèmes classiques de synchronisation n Lecteurs - Écrivains n Les philosophes mangeant n Moniteurs n Threads en Java http://w3.uqo.ca/luigi/

2 Chap. 72 n Dorénavant: u SC = Critical Section

3 Chap. 73 Sémaphores: rappel (les boîtes représentent des séquences indivisibles) acquire(S): S.value --; si S.value < 0 { // SC occupée ajouter ce thread à S.list; block // thread mis en état attente (wait) } sinon, continuer release(S): S.value ++; si S.value  0 { // des threads attendent dans la file enlever un thread P de S.list; wakeup(P) // thread choisi devient prêt } sinon, continuer S.value doit être initialisé à une valeur non-négative dépendant de l’application, v. exemples

4 Chap. 74 Sémaphores: rappel. n Soit S un sémaphore sur une SC u il a une valeur S.value u il a une file d ’attente S.list u S positif: S thread peuvent entrer dans SC u S zéro: aucun thread ne peut entrer, aucun thread en attente u S négatif: |S| thread dans file d’attente n acquire(S): S - - u si après S >= 0, thread peut entrer dans SC u si S < 0, thread est mis dans file d ’attente n release(S): S++ u si après S<= 0, il y avait des threads en attente, et un thread est transféré à la file prêt n Indivisibilité = atomicité d’acquire et release

5 Application: Lecteurs-écrivains Chap. 75

6 6 Problème des lecteurs - écrivains n Plusieurs threads peuvent accéder à une base de données u Pour y lire ou pour y écrire n Les écrivains doivent être synchronisés entre eux et par rapport aux lecteurs u il faut empêcher à un thread de lire pendant une écriture u il faut empêcher à deux écrivains d’écrire simultanément n Les lecteurs peuvent y accéder simultanément n Exemple d’application: u La base de données d’un ministère, lue quotidiennement par des milliers de personnes u Elle doit aussi être mise à jour régulièrement

7 Chap. 77 Idée de solution n La base de données doit être protégée par un sémaphore pour synchroniser les écrivains entre eux et les lecteurs par rapport aux écrivains u Sémaphore db n Les écrivains doivent attendre sur db u les uns pour les autres u et aussi la fin de toutes les lectures n Les lecteurs doivent u attendre sur db quand il y a des écrivains qui écrivent u bloquer les écrivains sur db quand il y a des lecteurs qui lisent u redémarrer les écrivains quand personne ne lit n Quand un premier lecteur réussit à avoir la base de données, il faut permettre aux autres d’aussi lire mais il faut savoir combien de lecteurs actifs il y a, car quand il n’y a plus de lecteurs actifs il faut permettre aux écrivains de reprendre u Il faut donc prévoir une variable pour compter les lecteurs: F readerCount u And un sémaphore pour protéger cette variable F Mutex (autre solution: reader count pourrait être un sémaphore)

8 Chap. 78 Éléments de solution n Sémaphore db: exclusion mutuelle entre écrivains et lecteurs n Variable readerCount: nombre de threads lisant la base de données u Pas un sémaphore n Sémaphore mutex: protège la SC où readerCount est mis à jour

9 Chap. 79 Les données et les écrivains Données: deux sémaphores et une variable mutex, db: semaphore (init. 1); readerCount : integer (init. 0); Écrivain acquire(db);... // écriture... release(db);

10 Chap. 710 Les lecteurs acquire(mutex); readerCount ++ ; if readerCount == 1 then acquire(db); release(mutex); //SC: lecture acquire(mutex); readerCount -- ; if readerCount == 0 then release(db); release(mutex): Le premier lecteur d ’un groupe pourrait devoir attendre sur db, il doit aussi bloquer les écrivains. Quand il sera entré, les lect. suivants pourront entrer librement Le dernier lecteur sortant doit permettre l`accès aux écrivains Avant lecture Après lecture

11 Chap. 711 Observations n Le 1er lecteur qui entre dans la SC bloque les écrivains u acquire (db) n le dernier les libère u release (db) n si 1 écrivain est dans la SC, 1 lecteur attend sur db, les autres sur mutex n un release(db) peut faire exécuter un lecteur ou un écrivain

12 Application: Philosophes mangeant Chap. 712

13 Chap. 713 Le problème des philosophes mangeant n 5 philosophes qui mangent et pensent n Pour manger il faut 2 fourchettes, droite et gauche n On en a seulement 5! n Un problème classique de synchronisation n Illustre la difficulté d’allouer ressources aux threads tout en évitant interblocage et famine

14 Chap. 714 Le problème des philosophes mangeant n Un thread par philosophe n Un sémaphore par fourchette: u fork: array[0..4] of semaphores u Initialisation: fork[i] =1 for i:=0..4 n Première tentative: u interblocage si chacun débute en prenant sa fourchette gauche! F acquire(fork[i]) Thread Pi: repeat think; acquire(fork[i]); acquire(fork[i+1 mod 5]); eat; release(fork[i+1 mod 5]); release(fork[i]); forever

15 Chap. 715 Le problème des philosophes mangeant n Une solution: admettre seulement 4 philosophes à la fois qui peuvent tenter de manger n Il y aura touj. au moins 1 philosophe qui pourra manger u même si tous prennent 1 fourchette n Ajout d’un sémaphore T qui limite à 4 le nombre de philosophes “assis à la table” u initial. de T à 4 n N’empêche pas famine! Thread Pi: repeat think; acquire(T); acquire(fork[i]); acquire(fork[i+1 mod 5]); eat; release(fork[i+1 mod 5]); release(fork[i]); release(T); forever

16 Exercice Supposons que l’ensemble des philosophe soit partitionné en deux sous-ensembles non-vides:  Philosophes gauchers, qui débutent toujours avec la fourchette gauche  Philosophes droitiers, qui débutent toujours avec la fourchette droite Montrez qu’un interblocage ne sera pas possible. Après avoir étudié le chapitre sur l’interblocage, déterminer quel est le principe qui nie la possibilité d’interblocage dans ce cas. Chap. 716

17 Conclusion sur les sémaphores Chap. 717

18 Chap. 718 Avantage des sémaphores (par rapport aux solutions précédentes) n Une seule variable partagée par section critique (la variable sémaphore) n deux seules opérations: acquire, release n contrôle plus localisé (que avec les précéds) n extension facile au cas de plus. threads n possibilité de faire entrer plus. threads à la fois dans une section critique n gestion de files d`attente par le SE: famine évitée si le SE est équitable (p.ex. files FIFO)

19 Chap. 719 Problème avec sémaphores: difficulté de programmation n acquire et release sont dispersés parmi plusieurs threads, mais ils doivent se correspondre u Utilisation doit être correcte dans tous les threads n Un seul “mauvais” thread peut faire échouer toute une collection de threads (p.ex. oublie de faire release) n Considérez le cas d`un thread qui a des acquire et release dans des boucles et des tests...

20 Moniteurs et synchronisation en Java Chap. 720

21 Moniteurs n Procurent une fonctionnalité équivalente aux sémaphores mais plus facile à contrôler Chap. 721

22 Il y a deux version de ce concept n Moniteurs simples, sont essentiellement les méthodes synchronisées de Java n Moniteurs avec variables conditionnelles Chap. 722

23 Chap. 723 Moniteurs simples n Méthodes synchronisées n Un seul processus à la fois peut y entrer n File d’attente pour les processus

24 Chap. 724 Moniteur n Est un module contenant: u une ou plusieurs procédures u variables locales n Caractéristiques: u variables locales accessibles seulement à l’aide d’une procédure du moniteur u un thread entre dans le moniteur en invoquant une de ses procédures u un seul thread peut exécuter dans le moniteur à tout instant

25 Chap. 725 Moniteur n Il assure à lui seul l’exclusion mutuelle: pas besoins de le programmer explicitement n On assure la protection des données partagées en les plaçant dans le moniteur u Le moniteur verrouille les données partagées lorsqu’un thread y entre

26 Chap. 726 Structure générale du moniteur (style Java) La seule façon de manipuler les vars internes au moniteur est d’appeler une des méthodes d’entrée monitor nom-de-moniteur { // déclarations de vars public entry p1(...) {code de méthode p1} public entry p2(...) {code de méthode p2}... }

27 Chap. 727 Moniteur: Vue schématique simplifiée style Java

28 Chap. 728 Variables conditionnelles (n’existent pas en Java) n sont accessibles seulement dans le moniteur n accessibles et modifiables seulement à l’aide de 2 fonctions: u x: wait bloque l’exécution du thread exécutant sur la condition x F le thread pourra reprendre l’exécution seulement si un autre thread exécute x: signal) u x: signal reprend l’exécution d’un thread bloqué sur la condition x F S’il en existe plusieurs: en choisir un (file?) F S’il n’en existe pas: ne rien faire wait, signal: semblables à acquire, release

29 Chap. 729 Moniteur avec variables conditionnelles Dans une banque, il y a une file principale, mais une fois entré on pourrait vous faire attendre dans un fauteuil jusqu’à ce que le préposé soit disponible

30 Chap. 730 Blocage dans les moniteurs n threads attendent dans la file d’entrée ou dans une file de condition (ils n’exécutent pas) n sur x.wait: le thread est placé dans la file de la condition (il n ’exécute pas) n x.signal active 1 thread bloqué dans la file x (si x vide, aucun effet)

31 Chap. 731 Un détail concernant le signal n Quand un thread P exécute x.signal et libère un thr. Q, il pourrait y avoir 2 thr. qui peuvent exécuter, P et Q, ce qui est défendu. Deux solutions possibles: u P pourrait attendre jusqu` à ce que Q sorte du moniteur, p.ex. dans une file spéciale (dite urgente) (v. Stallings) u Q pourrait attendre jusqu’à ce que P sorte du moniteur

32 Chap. 732 Prod/Cons: tampon circulaire de dimension k n Peut consommer seulement si le nombre N d’éléments consommables est au moins 1 (N = |in-out|) n Peut produire seulement si le nombre E d’espaces libres est au moins 1 (E = |out-in|)

33 Chap. 733 Variables conditionnelles utilisées n Si le tampon est plein, le producteur doit attendre qu’il devienne non-plein u Var conditionnelle notfull n Si le tampon est vide, le consommateur doit attendre qu’il devienne non-vide u Var conditionnelle notempty

34 Chap. 734 Moniteur pour P/C avec tampon fini (syntaxe un peu différente, pas orienté objet) Monitor boundedbuffer: buffer: vecteur[0..k-1] de items; nextin = 0, nextout = 0, count = 0 ; notfull, notempty: condition; Produce(v): if (count==k) notfull.wait; buffer[nextin] = v; nextin = (nextin+1 mod k); count ++; notempty.signal; Consume(v): if (count==0) notempty.wait; v = buffer[nextout]; nextout = (nextout+1 mod k); count --; notfull.signal; Variable conditionnelle sur laquelle le producteur attend s’il n’y a pas d’espaces libres (count==k: plein) Variable conditionnelle sur laquelle le consommateur attend s’il n’y a pas d’espaces occupés (count==0: vide)

35 Structure n Donc nous avons ici: u Une file d’entrée dans laquelle nous aurons des producteurs et des consommateurs u Deux opérations Produce() et Consume() u Deux conditions notfull et notempty Chap. 735

36 Comparaison avec la solution sémaphores n Étant donné que le moniteur assure à lui- même qu’un seul proc à la fois soit actif dans la SC, nous n’avons pas besoin d’un mécanisme pour ceci u Dans la solution sémaphores ce mécanisme était assuré par le sémaphore M u Ici nous n’avons besoin que de deux variables F notfull correspondant au sémaphore E F notempy, correspondant au sémaphore F u Solution donc plus simple et intuitive avec les moniteurs qu’avec les sémaphores Chap. 736

37 Solution Java (Je ferai ici s’il y aura du temps, sinon v. Sessions Exercices) Chap. 737

38 Chap. 738 Terminologie Java (davantage au lab) n Les méthodes synchronisées de Java sont essentiellement des moniteurs u Un seul thread à la fois peut les exécuter n Il y a 2 files pour un objet: u File d’entrée u File d’attente (en attente sur wait) n Une méthode ne peut avoir que 1 file wait u Limitation importante qui complique les choses en Java… n Wait (acquérir) existe en Java + ou – comme décrit pour les moniteurs n Signal s’appelle notify u Notify() libère 1 seul thread, il devient runnable u Notifyall fait la même chose pour tous u Mais ils n’exécutent pas nécessairement: F ils sont remis dans la file d’entrée

39 Chap. 739 Java: diagramme simplifié de transition d’état threads (sur la base de la fig. 5.10 du manuel) nouveau start stop ou term. de run Sleep Wait I/O join suspend notify Fin E/S resume nouveau exécutable = runnable mort b loqué = not runnable bloqué sur une file associée à un événement prêt ou en exécution

40 Figure Wikipédia À noter: n Un seul processus dans la chambre d’exécution n File d’attente e n Un processus peut subir un wait et passer dans la file q u en état ‘bloqué’ n Il peut être libéré de la file q par une ‘notify’ Chap. 740

41 Chap. 741 Un diagramme plus complet NEW READY RUNNING DEAD NOT RUNNABLE new start complète run method ou exception pas traitée Ordonnanceur choisit fil yield ou terminaison tranche ou préemption Notify, E/S terminée, resume, interrupted Sleep, wait, I/O, join, suspend RUNNABLE = READY ou RUNNING Les méthodes suspend, resume, stop ne sont pas recommandées aujourd’hui (deprecated).

42 Chap. 742 Retour au problème des philosophes mangeant n 5 philosophes qui mangent et pensent n Pour manger il faut 2 baguettes, droite et gauche n On en a seulement 5! n Un problème classique de synchronisation n Illustre la difficulté d’allouer ressources aux threads tout en évitant interblocage et famine

43 Chap. 743 Philosophes mangeant structures de données n Chaque philos. a son propre state qui peut être (thinking, hungry, eating) u philosophe i peut faire state[i] = eating ssi les voisins ne mangent pas n Chaque condition a sa propre condition self u le philosophe i peut attendre sur self [ i ] si veut manger, mais ne peut pas obtenir les 2 baguettes

44 Chap. 744 Chaque philosophe exécute à jamais: repeat pickup eat putdown forever

45 Chap. 745 La solution Java est plus compliquée que la solution «moniteurs» surtout à cause du fait que Java n’a pas de variables conditionnelles nommées V. manuel

46 Chap. 746 Relation entre moniteurs et autre mécanismes n Les moniteurs sont implantés utilisant les sémaphores ou les autres mécanismes déjà vus n Il est aussi possible d`implanter les sémaphores en utilisant les moniteurs! u les laboratoires vont discuter ça

47 Chap. 747 Le problème de la SC en pratique... n Les systèmes réels rendent disponibles plusieurs mécanismes qui peuvent être utilisés pour obtenir la solution la plus efficace dans différentes situations

48 Chap. 748 Synchronisation en Solaris 2 (avec UCT multiples) n Plusieurs mécanismes utilisés: u adaptive mutex protège l ’accès aux données partagées pour des SC courtes u sémaphores et condition variables protègent des SC plus importantes u serrures lecteurs-écrivains (reader-writers locks) protègent des données qui normalement ne sont que lues u les mêmes mécanismes sont disponibles aux usagers et dans le noyau

49 Chap. 749 Adaptive mutex en Solaris 2 n Utilisés pour des SC courtes: quand un thread veut accéder à des données partagées: u Si les données sont couramm. utilisées par un thread exécutant sur un autre UCT, l ’autre thread fait une attente occupée u Sinon, le thread est mis dans une file d ’attente et sera réveillé quand les données deviennent disponibles

50 Chap. 750 Windows NT: aussi plus. mécanismes n exclusion mutuelle sur données partagées: un fil doit demander accès et puis libérer n section critiques: semblables mais pour synchroniser entre fils de threads différents n sémaphores n event objects: semblables à condition variables

51 Chap. 751 Concepts importants du Chapitre 7 n Sections critiques: pourquoi n Difficulté du problème de la synch sur SC u Bonnes et mauvaises solutions n Accès atomique à la mémoire n Solutions logiciel `pures` n Solution matériel: test-and-set n Solutions par appels du système: u Sémaphores, moniteurs, fonctionnement n Problèmes typiques: tampon borné, lecteurs-écrivains, philosophes

52 Chap. 752 Par rapport au manuel n Le manuel couvre + ou – la même matière, mais en utilisant une approche Java n Pour le test et examen, suivre ma présentation u Ce que j’ai expliqué en classe n Pour les travaux de programmation, utiliser les exemples du manuel n Sections 7.9 et 7.10 ne sont pas matière d’examen

53 Deux grands informaticiens n Edsger W. Dijkstra (1930-2002), hollandais, a inventé plusieurs idées fondamentales en informatique, entre autres les sémaphores n Tony Hoare (1934- ), anglais, aussi a inventé beaucoup de concepts fondamentaux, entre autres les moniteurs Chap. 753