Cours Systemes d exploitation

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1 Université de Kairouan Institut Supérieur des Siences Appliquées et de Technologie Cours Conçu Spécialement Aux Etudiants: De Master Pilotage et Réseaux Industriels Cours Systemes d exploitation Noureddine GRASSA Kairouan, le 13 octobre 2014

2 Table des matières 1 La communication interprocessus Les conditions de concurrence Les sections critiques L exclusion mutuelle avec attente active un exemple simple Désactivation des interruptions Variables de Verrou Alternance stricte Solution de Peterson Exercices Ressource critique, interblocage Système de Gestion de Fichiers (SGF) Exercices SGF Bibliographie

3 Chapitre 1 La communication interprocessus Il arrive souvent que les processus aient besoin de communiquer entre eux.par exemple, dans un pipeline du shell, la sortie du premier processus doit être passée au deuxième processus, et ainsi de suite.d où le besoin de communiquer entre les processus, de préférence en évitant les interruptions. Néanmoins des problèmes peuvent être liés à la communication interprocessus. On rencontre trois problèmes essentiellement : - Comment un processus fait-il pour passer des informations à un autre? - Eviter les conflits lorsque deux processus s engagent dans des activités critiques. (exemple : deux clients tentent de réserver le dernier billet d avion) - Le séquençage en présence de dépendances. (exemple : processus A dépend du processus B, si par exemple le processus A produit des données et le processus B les imprime alors B ne peut exécuté sa tâche que si A lui fournit quelque chose sinon il attend) Nous verrons dans les sections suivantes ces trois problématiques l une après l autre. 1.1 Les conditions de concurrence Dans certains systèmes d exploitation, les processus qui travaillent ensemble peuvent partager un même espace de stockage pour la lecture et l écriture.pour voir comment fonctionne la communication interprocessus dans la pratique, prenons l exemple du spooleur d impression.lorsque un processus 3

4 Figure 1.1 Deux processus veulent accéder à la mémoire partagée en même temps. veut imprimer un fichier, il entre son nom dans un répertoire de spoole spécial. un autre processus le démon d impression, regarde périodiquement s il y a des fichiers à imprimer.si c est le cas, il les imprime et supprime leurs noms du répertoire.supposons que notre répertoire de spoole possède un certain nombre d entrées, numérotées 0,1,2... etc pour accueillir les fichiers à imprimer. Et prenons deux variables partagées : out, qui pointe vers le prochain fichier à imprimer et in, qui pointe vers la prochaine entrée libre du répertoire comme dans la figure (Figure 1.1). A un instant T les entrées 0 à 3 ont été imprimées donc vide et les entrées 4 à 6 sont pleines ( en file d attente pour impression). Que peut-il se produire si les processus A et B décident de mettre un fichier dans la file d attente d impression? 1.2 Les sections critiques Comment éviter les condition de concurrence? Une séquence d instructions manipulant des données partagées par plusieurs processus est appelée Section Critique, car l entrelacement des exécutions de ces instructions par différents processus peut conduire à des incohérences. C est la zone où se produit les conflits d accès.c est en travaillant sur la section critique, elle même, que l on doit éviter les problèmes Dans les mises en oeuvres de partage de ressources (fichiers,mémoires,...etc.). Il faut s assurer que plusieurs processus ne puissent accéder à une section 4

5 Figure 1.2 Exclusion mutuelle à l aide des sections critiques. critique en même temps. Mais dans ce cas on ralentira et on limitera le travail de deux processus parallèles partageant une ressource.dans ce cas quatre conditions sont nécessaires : 1- Deux processus ne peuvent pas se trouver en même temps dans leurs sections critiques. 2- Aucune hypothèse ne doit être faite sur les vitesses relatives des processus et sur le nombre de processeurs mis en oeuvre. 3- Aucun processus s exécutant à l extérieur de sa section critique ne doit bloquer d autres processus. 4- Aucun processus ne doit attendre trop longtemps avant d entrer dans sa section critique. Pour résoudre ce problème de contrôle d occupation de la zone critique, par un et un seul processus à la fois, il existe l exclusion mutuelle. L exclusion mutuelle est une méthode qui permet de s assurer que si un processus utilise une variable ou un fichier partagés, les autres processus seront exclus de la même activité. 5

6 1.3 L exclusion mutuelle avec attente active un exemple simple Nous allons mettre en lumière le problème de synchronisation à l aide d un exemple simple. Pour cela considérons le petit programme suivant : Reservation { i f ( nbplace > 0) / Réserver une p l a c e / nbplace= nbplace 1; } Imaginons le cas ou il ne reste qu une seul place à réserver (nbplace = 1 ) et deux clients se bousculent pour cette place. Soit deux processus client1 et client2. Client1 s exécute en premier, et entame une réservation.a ce moment là, l exécution de Client1 est commutée par l ordonnanceur juste après le test de la valeur de la variable nbplace(nbplace = 1 ).Client2 s exécute à son tour, teste nbplace qu il trouve également égale à 1 et donc effectue une réservation en décrémentant de 1 nbplace. nbplace devient égale à 0.Comme le processus Client2 a terminé son exécution, Client1 reprend la main. Client1 avait trouvé la variable nbplace comme étant égale à 1 juste avant d être commuté,il continue son exécution en décrémentant à son tour nbplace. De ce fait, nbplace devient égale à -1 ce qui est incohérent! Une même place a été allouée à deux clients différents! Hors la variable nbplace doit être accédée par un seul processus à la fois pour que sa valeur reste cohérente. Ici le Client1 termine ce qu il a commencé et Client2 nšeffectuera pas de réservation donc on peut dire que nbplace constitue une ressource critique. Pour garantir l exclusion mutuelle, il faut donc protéger l utilisation de la variable nbplace pour empêcher un processus de manipuler cette variable si un autre processus le fait déja. Mais comment la protéger cette variable? Désactivation des interruptions La solution proposée pour protéger cette variable et garantir l exclusion mutuelle est de masquer les interruptions d horloge dès qu un processus accède à la ressource critique. 6

7 Reservation { d i s a b l e _ i n t e r r u p t i o n ; i f ( nbplace > 0) / Réserver une p l a c e / nbplace= nbplace 1; e n a b l e _ i n t e r r u p t i o n ; } Mais cette solution est moyennement satisfaisante car elle empêche l exécution de tous les processus y compris ceux ne désirant pas accéder à la ressource critique. Autre contrainte, le masquage et le démasquage des interruptions sont des opérations réservées au mode super-utilisateur et non aux processus utilisateurs. Pour cela il faut penser réellement à une autre solution?! Variables de Verrou Pour pallier a se(s) problème(s), il existe une autre solution qui utilise une variable globale appelée cadenas initialisée à FAUX. Cette solution à l avantage de s exécuter en une seule fois sans pouvoir être interrompue, c est à dire de manière atomique. Je l ai nommée Test and Set. La logique de cette solution est la suivante : #d e f i n e VRAI 1 #d e f i n e FAUX 0 i n t f o n c t i o n TS ( i n t verrou ) { d i s a b l e _ i n t e r r u p t i o n ; i n t t e s t ; t e s t = verrou ; verrou = VRAI; r eturn ( t e s t ) ; e n a b l e _ i n t e r r u p t i o n ; } while TS( cadenas ) ; / a t t e n t e a c t i v e / / Dans s e c t i o n c r i t i q u e / s e c t i o n _ c r i t i q u e ( ) ; / hors s e c t i o n c r i t i q u e / cadenas = FAUX; 7

8 1.3.4 Alternance stricte L exemple ci-dessous illustre une autre approche de l exclusion mutuelle. En résumé cette solution consiste à avoir deux processus qui alternent leurs entrées en section critique à tour de rôle. Ainsi aucun processus ne pourrait mettre en file d attente deux choses à la suite. (a) (b) while (TRUE) { while (TRUE) { while (tours!= 0);/*attente*/ while (tours!= 1); region_critique(); region_critique(); tours = 1; tours = 0; hors_région_critique(); hors_région_critique(); } } Si cette implémentation à l avantage d éviter toute les conditions de concurrence, elle ne peut être considérée comme une solution sérieuse dans la mesure où elle ne respecte pas la 3ème condition.(voir 1.2 Les sections critiques) Solution de Peterson La solution suivante, appelée algorithme de Peterson.Un mathématicien néerlandais, T. Dekker ; fut le premier à mettre au point une solution logicielle à l exclusion mutuelle, ne faisant pas appel à l altérnance stricte.en 1981, G.L. Peterson découvrit une méthode plus simple pour obtenir le même résultat, rendant obsolète la solution de Dekker. Avant d utiliser une variable partagées, chaque processus appelle entrerregioncritique avec son propre numéro de processus (0 ou 1), en tant que paramètre.cet appel le met en attente, si nécessaire, jusqu à ce qu il puisse entrer.une fois qu il en a terminé, le processus appelle quitterregioncritique pour autoriser un autre processus à entrer. Voyons comment fonctionne cette solution. Au départ, aucun des processus ne se trouve dans la section critique.c est alors que le processus 0 appelle à entrer dans la section critique.il montre son intérêt en définissant son élément de tableau et en positionnant tours à 0. Etant donné que le processus 1 n est pas intéressé, entrerregioncritique retourne immédiatement. Si le processus 1 appelle maintenant entrerregioncritique, il attend jusqu à ce que interesser[0] passe à FAUX, événement qui ne peut se produire qu une fois que le processus 0 aura appelé quitterregioncritique. 8

9 Prenons maintenant l exemple où les deux processus appellent entrerregioncritique en même temps. Tous deux vont stocker leur numéro de processus dans tours.c est l opération de stockage la plus tardive qui est prise en compte ; la première est remplacée et perdue. Supposons que le processus 1 soit stocké en dernier,ce qui fait que tours est à 1.Lorsque les deux processus arrivent à l instruction while,le processus 0 ne l exécute pas entre en section critique. Le processus 1 boucle et n entre pas en section critique tant que le processus 0 n a pas quitté la sienne. 1 2 #d e f i n e VRAI 1 3 #d e f i n e FAUX 0 4 #d e f i n e N 2 5 i n t t o u r s ; 6 i n t i n t e r e s s e r [N ] ; 7 8 void e n t r e r _ r e g i o n _ c r i t i q u e ( i n t p r o c e s s ) 9 { 10 i n t autre ; 11 autre = 1 p r o c e s s ; 12 i n t e r e s s e r [ p r o c e s s ] = VRAI; 13 t o u r s = p r o c e s s ; 14 while ( t o u r s == p r o c e s s 15 && i n t e r e s s e r [ autre ] == VRAI) ; 16 } 17 void q u i t t e r _ r e g i o n _ c r i t i q u e ( i n t p r o c e s s ) 18 { 19 i n t e r e s s e r [ p r o c e s s ] = FAUX; 20 } 1.4 Exercices Ressource critique, interblocage On considère trois processus P1, P2 et P3 dont les caractéristiques sont les suivantes : Date d arrivée Temps d exécution Priorité P1 0 5 unités 4 P2 2 4 unités 1 P3 3 4 unités 2 Les trois processus sont ordonnancés selon une politique de priorités pré- 9

10 emptives. On suppose à présent que les processus P1 et P2 utilisent une même ressource critique R1. P3 ne fait que du calcul.les étapes des deux processus P1 et P2 sont les suivantes : P1 calcul durant 1 unité prendre(r1) faire calcul en utilisant R1 durant 2 unités Rendre(R1) calcul durant 2 unités P2 calcul durant 1 unité prendre(r1) faire calcul en utilisant R1 durant 2 unités Rendre(R1) calcul durant 1 unités 1) Construisez le chronogramme d exécution des trois processus en tenant compte du partage de la ressource R1 entre P1 et P2. On considère que les opérations Prendre(R1) et Rendre(R1) ne comptent pas d unités de temps (elles sont instantanées). Que se passe-t-il? Est ce que P2 s exécute effectivement comme étant le processus le plus prioritaire? Pourquoi? 2) On suppose à présent que les processus P1 et P2 utilisent deux ressources critiques R1 et R2. Les étapes des deux processus sont les suivantes : P1 calcul durant 1 unité Prendre(R2) utiliser R2 durant 1 unité Prendre(R1) utiliser R2 et R1 durant 1 unité Rendre(R1) Rendre(R2) calcul durant 2 unités 10

11 P2 calcul durant 1 unité Prendre(R1) Prendre(R2) utiliser R1 et R2 durant 2 unités Rendre(R1) Rendre(R2) calcul durant 1 unité Que se peut-il se passer? Quelle solution peut être mise en oeuvre pour éviter la situation constatée. 11

12 Chapitre 2 Système de Gestion de Fichiers (SGF) Voir Slides powerpoint 2.1 Exercices SGF Exercice 1 On considère un système de fichiers tel que l information concernant les blocs de données de chaque fichier est donc accessible à partir du i-noeud de celui-ci (comme dans UNIX). On supposera que : - Le système de fichiers utilise des blocs de données de taille fixe 1K (1024 octets) ; - L i-noeud de chaque fichier (ou répertoire) contient 12 pointeurs directs sur des blocs de données, 1 pointeur indirect simple, 1 pointeur indirect double et 1 pointeur indirect triple. - Chaque bloc de pointeurs contient 256 adresses. - Chaque pointeur (numéro de bloc) est représenté sur 4 octets. a) Quelle est la plus grande taille de fichier que ce système de fichiers peut supporter? 12

13 b) On considère un fichier contenant 100,000 octets de données. *) Combien de blocs (données, et adresses) sont-ils nécessaires (au total) pour représenter ce fichier sur disque? **) Combien d octets nécessite le fichier pour le représenter. Exercice 2 On considère un système disposant dšun système de fichiers similaire à celui d UNIX avec une taille de blocs de données de 4K (4096 octets) et des pointeurs (numéros de blocs) définies sur 4 octets. On supposera que le i-noeud de chaque fichier compte 12 pointeurs directs, 1 pointeur indirect simple, 1 pointeur indirect double et 1 pointeur indirect triple. On désire créer un fichier contenant un total de (vingt millions) de caractères (caractères de fin de ligne et de fin de fichier compris). 1. Quel est le nombre total de blocs (données et adresses) utilisé pour stocker le fichier. 2. Quelle est la fragmentation interne totale sur le disque résultant de la création de ce fichier (espace alloué et non utilisé). 13

14 Bibliographie [1] A.Tanenbaum. Systèmes d exploitation. Pearson, 3ème Edition. [2] J.Delacroix. Linux : Programmation système et réseau. Dunod, 4ème Edition,

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