Résumé du chapitre 8 Ressources et interblocage

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1 Résumé du chapitre 8 Ressources et interblocage Jacques Mossière 12 août Introduction Ce chapitre est consacré à l étude d un problème classique dans les systèmes, l interblocage, c est à dire l existence d un groupe de processus bloqués en attente de ressources, chacune d elles étant allouée à l un des processus du groupe. Après une présentation de la notion de ressource ( 2.1), on définira l interblocage ( 2.2.2) et on en donnera une présentation informelle ( 3). On montrera ensuite les deux modélisations classiques de l interblocage ( 4), par graphes et par matrices. Les paragraphes suivants seront consacrés aux techniques de détection et de guérison de l interblocage ( 5) et à sa prévention( 6). Le chapitre se termine en examinant les questions de famine ( 7) et de verrouillage à deux phases( 8). 2 Définitions Après une présentation sommaire de la notion de ressource, le reste de la section présente le phénomène d interblocage. 2.1 Ressources Pour s exécuter, un processus a besoin d un certain nombre d éléments : des éléments matériels comme de la mémoire, un processeur, des périphériques (clavier et écran par exemple) et des éléments logiciels, fichiers, tables, etc. Tous ces éléments matériels et logiciels sont appelés des ressources 1. On distingue des ressources à accès partagé (fichier en lecture seule) et des ressources à accès exclusif (par exemple une imprimante). Avant d utiliser une ressource, un processus doit la demander, explicitement ou implicitement. Il doit la libérer après utilisation. Les opérations de 1 La notion de ressource a été introduite au chapitre sur la gestion des processus. 1

2 demande et de restitution d une ressource sont appelées l allocation et la libération. Quand un processus demande l allocation d une ressource à accès exclusif déjà attribuée à un second processus, le système le bloque jusqu à ce que la demande puisse être satisfaite, c est à dire jusqu à la libération de la ressource par le second processus. Une ressource est susceptible de réquisition («preemption») si le système peut la retirer au processus auquel elle était allouée pour l affecter à un autre processus. L unité centrale peut ainsi être réquisitionnée à faible coût ; il est plus compliqué, voire impossible, de réquisitionner un traceur ou une imprimante. 2.2 Interblocage Exemples introductifs L interblocage n est pas réduit à l informatique. On peut en donner des exemples issus de la vie courante. Considérons par exemple un carrefour à quatre voies avec la règle de priorité à droite habituelle. Lorsque deux ou trois voitures abordent simultanément le carrefour, la règle permet aux voitures de passer l une après l autre. En revanche, si quatre voitures se présentent simultanément, le respect de la règle de priorité impose à chaque voiture d attendre que celle de droite soit passé : le blocage est définitif. Un autre exemple classique est celui de voitures immobilisées sur une autoroute par une forte chute de neige. Pour libérer les voitures, un chasseneige doit passer, mais il ne peut pas circuler car la présence des voitures l en empêche. Dans les deux cas, et en l absence d intervention extérieure (agent de police, fonte de la neige), le système est définitivement bloqué Définition de l interblocage Un ensemble de processus sont interbloqués si chacun d eux est bloqué en attente d une ressource qui a été allouée à l un des autres processus. Plusieurs conditions sont requises pour qu il puisse y avoir interblocage. Les ressources allouées doivent être à accès exclusif. Un processus qui possède déjà des ressources peut faire de nouvelles demandes d allocation et donc se bloquer en attente de l obtention de la nouvelle ressource demandée. La réquisition des ressources est impossible. L attente doit être circulaire. Les processus peuvent être rangés dans une liste circulaire, chaque processus attendant une ressource possédée par le suivant. 2

3 3 Etude informelle de l interblocage Nous cherchons dans ce paragraphe à étudier graphiquement l exécution de deux processus utilisant des ressources. L idée est de faire comprendre qu il peut en général s écouler un intervalle de temps non négligeable entre l instant où un interblocage devient inévitable et celui où il se produit effectivement. L exécution d un processus P 1 peut se traduire par une fonction P 1(t) comptabilisant le nombre d instructions qui ont été exécutées par P 1 à l instant t. P 1(t) est une fonction non décroissante du temps ; elle est constante pendant les phases de blocage du processus P 1. L exécution de deux processus P 1 et P 2, caractérisés par leurs fonctions P 1(t) et P 2(t), peut être représentée par une courbe dans un plan P 1, P 2, une courbe représentant une instruction valide devant être non décroissante en P 1 comme en P 2 (un processus ne peut pas faire de retour en arrière). Supposons alors que pendant une certaine phase d exécution, chacun des processus ait besoin d utiliser une ressource R à accès exclusif. L utilisation de la ressource correspond à un rectangle dans le plan P 1, P 2 que les courbes représentant une exécution correcte ne peuvent pas traverser (ceci correspondrait à l utilisation simultanée de R par les deux processus). De même, l utilisation de deux ressources R1 et R2 correspond à la présence dans le plan de deux zones interdites, l une pour R1 et l autre pour R2. Considérons alors la configuration décrite par la figure 1 sur laquelle sont représentés deux processus ayant besoin de deux ressources R1 et R2, P 1 demandant R1 puis R2 et P 2 demandant R2 puis R1. Que se passe-t-il si une courbe représentant l exécution pénètre dans le rectangle ABCD? Remarquons que ceci correspond à avoir R1 allouée à P 1 et R2 allouée à P 2 et qu aucun des deux processus n est bloqué. Compte tenu de la non décroissance de la courbe d exécution, la courbe ne peut qu évoluer vers le point B où les deux processus seront interbloqués. En conséquence, toute politique de prévention de l interblocage doit réagir bien avant que celui-ci ne devienne inévitable. Dans notre cas, il faut réagir dès l arrivée à la limite du rectangle ABCD en empêchant la courbe de s y engager, c est à dire en refusant une allocation alors que la ressource demandée est disponible. 4 Modélisation de l interblocage L interblocage a été très (trop?) étudié à la fin des années 60. Nous donnons ci-après un aperçu des outils mathématiques qui ont été utilisés. 3

4 P2 R1 R1 R2 A B R2 D C R2 P1 R1 Fig. 1 Ressources et interblocage P1 R1 R2 P2 Fig. 2 Interblocage de deux processus demandant deux ressources 4.1 Modélisation par graphes L idée est d associer à un interblocage un cycle dans un graphe. Les nœuds du graphe correspondent aux processus (dénotés par des cercles sur nos exemples) et aux ressources (dénotées par des carrés). Quand un processus possède une ressource, un arc relie le nœud processus au nœud ressource ; lorsqu un processus demande une ressource, un arc relie la ressource au processus. Le graphe évolue donc à chaque demande, allocation ou libération de ressource. On peut observer sur la figure 2 l interblocage des deux processus du paragraphe précédent. 4.2 Modélisation par matrices et vecteurs Nous admettons que le système comprend m classes de ressources. L ensemble des ressources existantes peut être représenté par un vecteur ( ) E = E 1 E 2 E 3... E m 4

5 dans lequel E i indique le nombre d exemplaires de la ressource de classe i présente dans le système. Lorsque des allocations ont été effectuées, le nombre de ressources disponibles est contenu dans un autre vecteur ( ) D = D 1 D 2 D 3... D m On dispose en outre d une matrice A décrivant les allocations courantes des ressources aux processus. A = a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm dans laquelle a ij comptabilise le nombre de ressources de la classe j allouées au processus i. Un état (E, D, A) est réalisable si chacun des E j et D j est positif ou nul : on ne peut allouer plus de ressources qu il n y en a dans le système. De plus, n D j = E j a ij i=1 Les requêtes des différents processus sont également décrites par une matrice R dans laquelle r ij désigne le nombre de ressources de la classe j demandées et non encore obtenues par le processus P i. Exemple. ( Un état ) réalisable ( peut être) décrit par les vecteurs E = et D = avec les matrices suivantes pour les allocations et les requêtes A = et R = 4.3 Traitement de l interblocage Les systèmes choisissent différentes approches face à l interblocage. Ignorer purement et simplement l interblocage (ce que Tanenbaum appelle l algorithme de l autruche). Lorsque la probabilité d interblocage est faible, il est inutile d alourdir tous les algorithmes d allocation des ressources par des phases de traitement de l interblocage. En contrepartie, on risque d avoir à redémarrer de temps à autre le système, en perdant une partie du travail réalisé. C est la solution généralement retenue sur les ordinateurs individuels. Laisser l interblocage se produire, puis le détecter et le guérir. Lorsqu on ne dispose d aucune information sur les demandes futures de ressources des différents processus, c est la seule solution envisageable. 5

6 Prévenir l apparition de l interblocage. Il faut pour cela disposer d informations sur les demandes de ressources que les processus ont le droit de faire. On peut aussi plus simplement se limiter à des techniques d allocation qui garantissent qu il n y aura jamais d interblocage. L étude détaillée des algorithmes de détection, de guérison et de prévention de l interblocage est hors de la portée de ce résumé. Nous nous contentons de présenter les principes des méthodes classique aux sections 5 (détection guérison) et 6 (prévention). 5 Détection de l interblocage 5.1 Détection Dans un système modélisé par un graphe des allocations et des requêtes, la détection de l interblocage revient à détecter un cycle dans le graphe. L ensemble des nœuds processus du cycle fournit l ensemble des processus interbloqués. En modélisation par matrices, on procède de la façon suivante. 1. On commence par rechercher un processus P i dont la requête peut être satisfaite avec les ressources disponibles. 2. Ce processus étant trouvé, il pourra s exécuter et donc libérer toutes les ressources qui lui étaient allouées. On corrige en conséquence le vecteur D et on retire P i de la liste des processus. On reprend la phase précédente avec le nouveau vecteur D. 3. En cas d échec, il y a interblocage s il reste des processus dont la demande n a pu être satisfaite. Ainsi, dans l exemple du paragraphe précédent, les ressources libres permettent de satisfaire la demande ( de P 3 ; lorsque ) P 3 s est terminé, les ressources disponibles sont D = et permettent de satisfaire la requête de P 2 ; lorsque P 2 aura libéré ses ressources, la demande de P 1 pourra être satisfaite. En conséquence, le système n est pas interbloqué. 5.2 Guérison La guérison de l interblocage passe par la destruction d au moins un des processus interbloqués, ce qui entraîne la libération des ressources qui lui étaient allouées, de façon à supprimer la présence du cycle. L exécution de ce processus devra en général être reprise ultérieurement. Il y a difficulté si un processus détruit a effectué des modifications irréversibles, éventuellement incohérentes, de données globales. Il faut donc dans ce cas enregistrer une copie des données globales susceptibles d être modifiées par un processus avant le lancement de ce processus ; au moment de la destruction, on rétablit les valeurs initiales des données. 6

7 6 Prévention de l interblocage Comme l illustre l étude informelle ( 3), on ne peut prévenir l interblocage que si on dispose d informations sur les demandes que les différents processus pourront effectuer dans la suite de leur exécution. La prévention de l interblocage revient à vérifier, avant toute allocation de ressource, si cette allocation permettra encore de satisfaire les demandes valides que les processus pourront effectuer par la suite. Nous décrivons ci-après l algorithme classique de prévention, l algorithme du banquier. Nous donnerons ensuite quelques conditions suffisantes permettant d éviter l apparition de l interblocage. 6.1 Algorithme du banquier L idée de l algorithme du banquier repose sur un contrat passé entre chaque processus et le système. Chaque processus doit annoncer au départ le nombre maximum de ressources dont il aura besoin pendant son exécution. Il s engage alors à ne pas dépasser cette demande maximum ainsi qu à libérer au bout d un temps fini toutes les ressources qui lui ont été allouées. De son côté, le système s engage à satisfaire au bout d un temps fini toute demande valide (restant dans les limites de l annonce) effectuée par un processus. L algorithme du banquier fonctionne avec un nombre quelconque de classes de ressources. Nous l illustrons ici, par souci de simplicité, dans le cas d une seule classe de ressources. Un état du système est alors composé d un scalaire D donnant le nombre de ressources disponibles et de deux vecteurs R et A donnant respectivement l annonce et les ressources allouées à chaque processus. Exemple Considérons un système de 4 processus et ( disposant de 10 ) unités d une ressource. Le vecteur des annonces est R = Supposons ( que des ) allocations aient été effectuées et décrites par le vecteur A = ; le nombre de ressources libres est alors D = 2. Pour déterminer s il y a interblocage, l algorithme du banquier détermine s il existe au moins un ordonnancement permettant de traiter les demandes ultérieures des processus dans les conditions les plus défavorables ; ceci correspond au cas où chaque processus demande toutes les ressources qu il est en droit de demander (la différence entre son annonce et ce qu il possède) avant de libérer les ressources. La construction de cet ordonnancement est analogue à ce que nous avons effectué pour détecter l interblocage. On recherche un processus dont la demande maximum peut être satisfaite avec ce qui est disponible. Ce processus libère toutes les ressources qui lui étaient allouées et on reprend la phase précédente. Si tous les processus peuvent être choisis, le système est sans risque d interblocage. 7

8 Sur notre exemple, la demande maximum de P 3 peut être satisfaite ; après la terminaison de P 3, les ressources libres, au nombre de 4, permettent de satisfaire la demande maximum de P 2 ou de P 4. On vérifie aisément que tous les processus peuvent être satisfaits. Le lecteur pourra également vérifier qu une allocation supplémentaire d une ressource à P 2 conduit à un risque d interblocage. Utilisation pratique Lors de chaque demande de ressource, le système vérifie que le nouvel état obtenu en satisfaisant la demande est sans risque d interblocage ; si c est le cas, l allocation est effectuée, sinon la demande est mise en attente et le processus bloqué. Remarque L algorithme du banquier permet de déterminer s il y a un risque d interblocage et pas s il se produira effectivement. L ordonnancement qu il fournit donne une façon de satisfaire les demandes dans le pire des cas. 6.2 Conditions suffisantes pour éviter l interblocage Le risque d interblocage survient dès que des processus qui possèdent des ressources peuvent en demander de nouvelles. Si on exclut cette éventualité, il n y a plus de risque d interblocage. Trois techniques peuvent être employées en ce sens. Allouer toutes les ressources en une seule fois. Il n y a plus d interblocage, mais des ressources peuvent être immobilisées alors qu elles ne sont pas réellement utilisées. Libérer toutes les ressources affectées à un processus avant toute nouvelle demande ; en général, le processus redemande simultanément toutes les ressources qu il a été forcé de libérer, plus la nouvelle. Méthode des classes ordonnées Les ressources sont organisées en classes C 1, C 2,, C n Dans une classe, les ressources sont allouées en une seule fois Les ressources doivent être demandées dans l ordre des classes. Cette technique est une amélioration de l allocation en une seule fois ; elle est très utilisée pour l allocation des ressources matérielles en rangeant les ressources dans l ordre croissant de leur coût (pour diminuer le coût d immobilisation. On peut ainsi demander d abord des périphériques, puis de la mémoire et enfin l unité centrale. 7 Famine Le terme de famine («starvation») est issu de l exemple classique des philosophes aux spaghetti dans lequel deux philosophes qui mangent en alternance peuvent empêcher de manger le philosophe qui se trouve entre eux. 8

9 Prévenir la famine consiste à garantir que toute demande de ressource sera satisfaite au bout d un temps fini. Les méthodes classiques de prévention de la famine consistent d une part à augmenter la priorité des demandes en fonction du temps pendant laquelle une ressource a été attendue et, d autre part, à introduire un ordre total entre les demandes de ressources et à utiliser cet ordre dans les algorithmes d allocation. Remarque Une condition encore plus forte pour allouer les ressources est l équité qui vise à garantir que l ensemble des processus seront traités de façon équivalente. 8 Verrouillage à deux phases La technique du verrouillage à deux phases est très utilisée dans les bases de données transactionnelles où les ressources nécessaires ne sont pas connues au démarrage d une transaction (l évitement de l interblocage par ordonnancement des ressources ne peut être utilisé). Une transaction se déroule en deux phases. Première phase : dans la première phase, la transaction découvre et réserve toutes les ressources nécessaires à son exécution. En cas d échec d une réservation (la ressource est déjà allouée), toutes les ressources sont libérées et la transaction est recommencée. Deuxième phase : la seconde phase est consacrée à l utilisation, puis à la libération des ressources. L ordre des libérations est sans importance. 9 Conclusion Nous avons présenté dans ce chapitre le phénomène d interblocage et passé en revue les différentes solutions qu un système peut y apporter. Les nombreuses solutions décrites dans la littérature sont rarement implantées dans la pratique : non seulement un algorithme comme celui du banquier impose de disposer de l annonce des processus, mais de plus sa complexité est en O(n 2 ) si n est le nombre des processus. Les quelques approches retenues sont les suivantes. Ignorer le phénomène. C est la solution retenue dans les systèmes individuels au niveau des processus utilisateurs. Imposer un ordre pour les demandes des ressources partagées. Ces demandes de ressources partagées correspondent dans le système à des sections critiques qu on doit demander dans un ordre fixe 2. Pour les applications qui demandent un grand nombre de ressources imprévisibles au départ (systèmes transactionnels par exemple), les techniques employées sont à base d annulation et de reprise. 2 On applique ainsi la méthode des classes ordonnées, la plupart des classes ne comportant qu une ressource. 9

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