Processus non indépendants : accès concurrents aux ressources

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1 Agenda Synchronisation et communication entre processus Schémas classiques de synchronisation 1 Introduction Système multiprocessus L'ordonnancement "entrelace" les exécutions P1 P2 P3 F Processus non indépendants : accès concurrents aux ressources 2 1

2 Notion de ressources Définitions Une ressource désigne toute entité dont a besoin un processus pour s'exécuter. Ressource matérielle (processeur, périphérique) Ressource logicielle (variable) Une ressource est caractérisé par un état : libre /occupée par son nombre de points d'accès (nombre de processus pouvant l'utiliser en même temps) 3 Notion de ressources Utilisation d'une ressource par un processus Trois étapes : Allocation, Utilisation, Restitution Les phases d'allocation et de restitution doivent assurer que le ressource est utilisée conformément à son nombre de points d'accès ressource critique à un seul point d'accès 4 2

3 Structure P (Sem) File L V (Sem) INIT (Val, Sem) Val Compteur K (niveau du sémaphore) Sem Opérations indivisibles 5 Un sémaphore Sem peut être vu comme un distributeur de jetons; le jeton étant un droit à poursuivre son exécution l'opération INIT (Sem, Val) fixe le nombre de jetons initial l'opération P(Sem) attribue un jeton au processus appelant si il en reste sinon bloque le processus dans Sem.L l'opération V(Sem) restitue un jeton et débloque un processus de Sem.L si il en existe un. 6 3

4 Opération Init (Val, Sem) Init (Val, Sem) début masquer_it Sem. K := Val; Sem. L := demasquer_it fin Val jetons 7 Opération P (Sem) P (Sem) Endormissement début fin masquer_it Si il reste un jeton alors le donner à ce processus sinon ajouter ce processus à Sem.L bloquer ce processus fsi demasquer_it 0 jetons 8 4

5 Opération P (Sem) Endormissement P (Sem) début Sem.K := Sem.K - 1; Si Sem.K < 0 alors ajouter ce processus à Sem.L endormir ce processus fsi fin < 0 9 V (Sem) Opération V (Sem) début masquer_it Ajouter un jeton à Sem.K Si il y a un processus en attente de jeton dans Sem.L alors sortir un processus de Sem.L lui donner un jeton réveiller ce processus fsi demasquer_it fin Réveil jetons 10 5

6 Opération V (Sem) Réveil V (Sem) début Sem.K := Sem.K + 1; Si Sem.K 0 alors sortir un processus de Sem.L réveiller ce processus fsi fin 0 11 Signification du compteur K Si Sem.K > 0, Sem.K est le nombre d'opérations P(Sem) passantes P1 P2 P3 P(Sem) K = 1 P(Sem) K = 0 P(Sem) K < 0 Bloqué

7 Signification du compteur K Si Sem.K 0, valeur_absolue(sem.k) est le nombre de processus bloqués dans Sem.L P3 P4 P1 P(Sem) P3 P4 K = -1 Bloqué P(Sem) V(Sem) K = -2 Bloqué K = -1 Réveil de P Section critique avec sémaphore 1 seul processus en section critique => 1 seul jeton Sémaphore Mutex initialisé à 1 P (Mutex) Entrée section_critique Section Critique V (Mutex) Sortie section_critique 14 7

8 Allocations de ressources N ressources exclusives de même type Sémaphore Res initialisé à N Allocation : P(Res) Utilisation Ressource Restitution V(Res) 15 Allocations de ressources P(Res) Res.K = 2 P1 alloué P(Res) Res.K = 1 alloué P2 P3 P(Res) Res.K = 0 alloué V(Res) Res.K = 0 P(Res) Res.K = - 1 Bloqué P4 16 8

9 Notion de synchronisation Producteur - Consommateur Tampon de messages géré circulairement Producteur Consommateur 17 Notion de synchronisation Producteur - Consommateur Producteur Si il y a au moins une case libre alors déposer le message prévenir le consommateur sinon attendre fsi Consommateur Si il y a au moins une case pleine alors prendre le message prévenir le producteur sinon attendre fsi 18 9

10 Producteur-Consommateur Tampon de N messages Producteur dépot case i Ressources cases vides N Sémaphore Vide Consommateur retrait case j Ressources cases pleines 0 Sémaphore Plein 19 Producteur-Consommateur Producteur Si il y a au moins une case libre alors déposer le message prévenir le consommateur sinon attendre fsi allocation de ressources cases vides P (Sémaphore Vide) une ressource case pleine disponible V (Sémaphore Plein) 20 10

11 Producteur-Consommateur allocation de ressources cases pleines P (Sémaphore Plein) une ressource case vide disponible V (SémaphoreVide) Consommateur Si il y a au moins une case pleine alors prendre le message prévenir le producteur sinon attendre fsi 21 Sémaphore Vide initialisé à N : Init (Vide, N) Sémaphore Plein initialisé à 0 : Init (Plein, 0) Producteur index i de dépot : = 0 Consommateur index j de retrait := 0 P(Vide) déposer le message dans T(i); i : = i + 1 mod N; V(Plein) P(Plein) retirer le message de T(j); j : = j + 1 mod N; V(Vide) 22 11

12 Producteur-Consommateur Producteur P(Vide) Vide.K := 1 dépot V(Plein) Consommateur P(Plein) Plein.K = -1 Bloqué Débloqué 1 case pleine 23 Producteur-Consommateur Producteur P(Vide) Vide.K := 0 dépot V(Plein) P(Vide) Vide.K := - 1 Bloqué Consommateur 2 cases pleines Retrait V(Vide) Débloqué 24 12

13 Lecteurs / Rédacteurs ECRITURE FICHIER LECTURES Ecriture seule - Lectures simultanées Un écrivain exclut les écrivains les lecteurs Un lecteur exclut les écrivains 25 Lecteurs / Rédacteurs Un écrivain exclut les écrivains et les lecteurs Un écrivain effectue des accès en exclusion mutuelle des autres écrivains et des lecteurs Sémaphore d'exclusion mutuelle Accès initialisé à 1 ECRITURE 26 13

14 Lecteurs / Rédacteurs M'assurer que l'accès au fichier est libre P(Accès) entrer en écriture Libérer l'accès au fichier V(Accès) Ecrivain 27 Lecteurs / Rédacteurs M'assurer que l'accès au fichier est libre P(Accès) entrer en lecture Libérer l'accès au fichier V(Accès) Lecteur 28 14

15 Lecteurs / Rédacteurs Un lecteur exclut les écrivains Un premier lecteur doit s'assurer qu'il n'y a pas d'accès en écriture en cours Le dernier lecteur doit réveiller un éventuel écrivain LECTURES NL, nombre de lecteurs courants, initialisé à 0 29 Lecteurs / Rédacteurs Lecteur Compter un lecteur de plus Si je suis le premier lecteur alors Y-a-t-il un écrivain? si oui, attendre fsi entrer en lecture Compter un lecteur de moins Si je suis le dernier, réveiller un écrivain P(Mutex) NL : = NL + 1 NL = 1 P(Accès) V(Mutex) Lecture P(Mutex) NL : = NL - 1 NL = 0 V(Accès) V(Mutex) 30 15

16 Lecteurs / Rédacteurs Lecteur P(Mutex) NL : = NL + 1 Si (NL = 1) alors P(Accès) fsi V(Mutex) Accès lecture P(Mutex) NL := NL - 1; Si (NL = 0) alors V(Accès) fsi V(Mutex) 31 Lecteur 1 Lecteur 2 Rédacteur 1 Rédacteur 2 P(Mutex) NL = 1 Lecteurs / Rédacteurs P(ACCES) Accès autorisé Fichier (L) V(Mutex) Non actif P(ACCES) Bloqué Non actif 32 16

17 Lecteurs / Rédacteurs Lecteur 1 Lecteur 2 Rédacteur 1 Rédacteur 2 P(Mutex) Lecture NL = 2 Bloqué Non actif Accès autorisé V(Mutex) 33 Lecteurs / Rédacteurs Lecteur 1 Lecteur 2 Rédacteur 1 Rédacteur 2 P(Mutex) NL -- = 1 V(Mutex) Lecture Bloqué Non actif P(Mutex) NL -- = 0 V(ACCES) V(Mutex) Fichier (E) P(ACCES) Bloqué 34 17

18 Lecteurs / Rédacteurs Lecteur 1 Lecteur 2 Rédacteur 1 Rédacteur 2 P(Mutex) NL = 1 P(ACCES) bloqué P(Mutex) bloqué Ecriture V(ACCES) Bloqué Ecriture 35 Lecteurs / Rédacteurs Coalition des lecteurs contre les écrivains Fichier libre Fichier en lecture Lecteur 1 P(E) et accès Lecteur 2...i accès direct Lecteur j.. accès direct Ecrivain P(E) bloquant 36 18

19 Lecteurs / Rédacteurs Solution à la coalition Fichier libre Fichier en lecture Interdire l'accès Lecteur 1 P(E) et accès Lecteur 2...i accès direct Lecteur j.. Ecrivain P(E) bloquant 37 Agenda Semaphore Unix implementation 38 19

20 Definition Un sémaphore Sem peut être vu comme un distributeur de jetons; le jeton étant un droit à poursuivre son exécution l'opération INIT (Sem, Val) fixe le nombre de jetons initial Sem.K l'opération P(Sem) attribue un jeton au processus appelant si il en reste sinon bloque le processus dans Sem.L l'opération V(Sem) restitue un jeton et débloque un processus de Sem.L si il en existe un. 39 Implementation Using Pipe The semaphore is implemented using a pipe The function V is implemented with a write operation on the pipe The function P is implemented with a read operation on the pipe write Pipe wait 40 20

21 API Sem_INIT (int *S, int Val); Sem_P (int *S); Sem_V (int *S); 41 Sem_V (int *S); #include <unistd.h> void Sem_V (int* sw) { if (write(sw[1], X,1)!= 1) { printf ( Error ); exit (-1); } } 42 21

22 Sem_P (int *S); void Sem_P (int* sw) { char buffer; if (read(sw[0],&buffer,1)!= 1) { printf ( Error ); exit (-1); } } 43 Sem_INIT (int *S, int Val); void Sem_INIT (int* sw, int val) {int i; if (pipe(sw) == -1) { printf ( Error ); exit (-1); } for (i=0;i<val;i++) Sem_V (sw); } 44 22

23 Implementation with Threads typedef struct sem_t {!!pthread_mutex_t lock;!!int k;!!pthread_cond_t sem_cond;! } semaphore;! 45 Implementation with Threads void sem_init (semaphore *b, int value) {!!pthread_mutex_init (&b->lock, NULL);!!pthread_cond_init (&b->sem_cond, NULL);! }!!!b->k=value;! 46 23

24 Implementation with Threads void sem_p (semaphore *b) {!!!pthread_mutex_lock (&b->lock);!!b->k--;!!if (b->k < 0)!!!pthread_cond_wait (&b->sem_cond, &b->lock);!!!pthread_mutex_unlock (&b->lock);!! }!! 47 Implementation with Threads void sem_v (semaphore *b) {!!!pthread_mutex_lock (&b->lock);!!b->k++;!!if (b->k <= 0)!!!pthread_cond_signal (&b->sem_cond);!!!pthread_mutex_unlock (&b->lock);! }! 48 24

25 Implementation with Threads void sem_close (semaphore *b) {!!pthread_mutex_destroy (&b->lock);! }!!pthread_cond_destroy (&b->sem_cond);! /05/24/semaphores-in-linux.html? page=1 ~mdamian/threads/posixsem.html 50 25

26 Exercice Robot M1 Stock S M2 On considère deux machines (M1 et M2) qui travaillent en ligne (concurrence). Un robot permet de transporter une pièce à la fois soit du stock aval de la Machine 1 vers le Stock S, soit du Stock S vers le stock amont de la Machine 2. Le Stock S a une capacité limité à 4 pièces. Quelle sont les ressources? Ecrire un programme pour modéliser le system 51 26

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