Contrôle de concurrence par sémaphores. C.Coquery NFP137 Cours 11 1
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- Véronique Lavergne
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1 Contrôle de concurrence par sémaphores C.Coquery NFP137 Cours 11 1
2 Rappel du concept de sémaphore Définition (Dijkstra-1965) Un sémaphore S est un objet partagé constitué de - un entier E initialisé à une valeur 0 - une file d attente F des processus bloqués Un sémaphore est accessible uniquement par 3 primitives atomiques : P(S) : Puis-je (Proberen) contrôle d autorisation + blocage éventuel du demandeur V(S) : Vas-y (Verhogen) ajout d une autorisation + déblocage éventuel d un demandeur E0(S,I) : initialisation du sémaphore à I 0 autorisations et file d attente vide C.Coquery NFP137 Cours 11 2
3 Rappel du concept de sémaphore Définition Primitive P(sémaphore S) : début S.E=S.E-1; //retrait d une autorisation si S.E<0 alors état du processus appelant bloqué; placer son id dans la file F; fin Primitive V(sémaphore S) : début S.E=S.E+1; //ajout d une autorisation si S.E 0 alors //il y a au moins un processus bloqué choix et retrait d un processus de F; réveil du processus;finsi; fin Primitive E0(sémaphore S,entier I) : début S.E=I; S.F=vide; //I 0 fin C.Coquery NFP137 Cours 11 3
4 Rappel du concept de sémaphore Propriétés - Un processus qui se bloque en exécutant P(S) termine son exécution de P(S) - Un processus ne peut accéder à un sémaphore que par les primitives P(S) et V(S), l initialisation E0(S,I) doit précéder tout accès au sémaphore - Un seul processus peut exécuter P(S) ou V(S) à un instant donné C.Coquery NFP137 Cours 11 4
5 Rappel du concept de sémaphore Propriétés (suite1) -S.E initialisé à I 0 signifie qu on peut exécuter I fois P(S) sans blocage -S.E 0 représente le nombre d autorisations de franchissements de P(S) sans blocage à un instant donné -S.E<0 S.E représente le nombre de processus bloqués à un instant donné C.Coquery NFP137 Cours 11 5
6 Rappel du concept de sémaphore Propriétés (suite2) Soient NP(S) le nombre d appels à P(S), NV(S) le nombre d appels à V(S) NF(S) le nombre de franchissements de P(S) NBLOC(S) le nombre de processus bloqués - S.E=I-NP(S)+NV(S) - NBLOC(S)= max(0, -S.E) - NF(S)=Min(NP(S), I+NV(S)) C.Coquery NFP137 Cours 11 6
7 Exclusion mutuelle Accès exclusif à une ressource critique ou à un ensemble de variables partagées par N processus s exécutant en concurrence Contexte commun : ressource ou variables partagées sémaphore mutex; E0(mutex,1); Processus P i début P(mutex); //entrée en section critique Section_critique; V(mutex); //sortie de section critique Hors section critique; fin; C.Coquery NFP137 Cours 11 7
8 Exclusion mutuelle Respect des propriétés 1- Accès exclusif L accès est autorisé dans P(mutex) si mutex.e 0, soit NP(mutex) 1+NV(mutex) c est-à-dire NP(mutex)-NV(mutex) 1. Il y a donc au plus un processus au plus en section critique 2-Pas d interblocage actif : si aucun processus n est en section critique alors mutex.e=1 3-pas d interblocage passif C.Coquery NFP137 Cours 11 8
9 La cohorte N processus au plus coopèrent pour -se répartir une tâche -partager N ressources banalisées Schéma d exécution Processus P i entrée-groupe //contrôle l accès au groupe dans_groupe //participation au groupe sortie-groupe // libère un accès hors groupe; fait C.Coquery NFP137 Cours 11 9
10 La cohorte Contexte commun : sémaphore S_C; E0(S_C,N); Processus P i P(S_C);//entrée-groupe dans_groupe //participation au groupe V(S_C); //sortie-groupe hors groupe; fait C.Coquery NFP137 Cours 11 10
11 Cohorte : lot de ressources banalisées Problématique Un ensemble de processus se partagent un stock de N ressources banalisées, par exemple des pages mémoires, allouables dynamiquement une à une. -un sémaphore S_C initialisé à N modélise le nombre d autorisations d accès au stock -une structure de données partagée reflète l état d allocation de chaque ressource, on doit y accéder en exclusion mutuelle un sémaphore mutex initialisé à 1 contrôle la section critique C.Coquery NFP137 Cours 11 11
12 Cohorte : lot de ressources banalisées Cas de demande d une seule ressource Contexte commun sémaphore S_C, mutex; E0(S_C,N); E0(mutex,1); booleen stock[n]; initialisé à faux; Processus P i entier j; //acquisition d une autorisation; P(S_C); // choix d une ressource P(mutex); j=1; tant que stock[j] faire j=j+1;fait stock[j]=vrai; V(mutex); C.Coquery NFP137 Cours 11 12
13 Cohorte : lot de ressources banalisées Cas de demande d une seule ressource(suite) Utilisation de la ressource j; //restitution de la ressource P(mutex); stock[j]=faux;v(mutex); V(S_C); //sortie-groupe hors groupe; fait C.Coquery NFP137 Cours 11 13
14 Cohorte : lot de ressources banalisées Problème : Cas de demande de plusieurs ressources Contexte commun sémaphore S_C, mutex; E0(S_C,N); E0(mutex,1); booleen stock[n] initialisé à faux; Processus P i P(S_C); P(S_C); //acquisition des autorisations; P(mutex); V[mutex]; // choix des ressources Utilisation des ressources P(mutex); ;V(mutex); //restitution des ressources V(S_C);V(S_C); //sortie-groupe hors groupe; fait; Risque d interblocage! C.Coquery NFP137 Cours 11 14
15 Producteurs-Consommateurs Spécification Contexte commun tampon de N cases producteur produire un message; déposer un message; consommateur retirer un message; consommer le message; fait fait Objectif Asservir la vitesse moyenne de production à la vitesse moyenne de consommation en ralentissant le moins possible le producteur C.Coquery NFP137 Cours 11 15
16 Producteurs-Consommateurs Hypothèses 1- vitesses relatives quelconques 2- tampon de taille fixe, 1 case=1message, vide initialement 3- tout message est déposé et retiré une fois et une seule 4- le dépôt et le retrait se font en un temps fini C.Coquery NFP137 Cours 11 16
17 Producteurs-Consommateurs Propriétés de la solution 1- exclusion mutuelle d accès aux messages 2- le producteur attend si le tampon est plein, il est réveillé dès que le tampon n est plus plein 3- le consommateur attend si le tampon est vide, il est réveillé dès que le tampon n est plus vide 4- pas d interblocage C.Coquery NFP137 Cours 11 17
18 Producteur-Consommateur Schéma d exécution Contexte commun tampon de N cases vide; Processus producteur produire un message; si tampon plein alors se bloquer; déposer un message; si consommateur bloqué alors réveil du consommateur; fait; Processus consommateur si tampon vide alors se bloquer; retirer un message; si producteur bloqué alors réveil du producteur; consommer le message; fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 18
19 Producteur-Consommateur Schéma de synchronisation - un sémaphore Nvide initialisé à N pour le contrôle du nombre de cases vides le producteur exécute P(Nvide) pour réserver une case le consommateur exécute V(Nvide) pour libérer une case - un sémaphore Nplein initialisé à 0 pour le contrôle du nombre de messages (cases pleines) le producteur exécute V(Nplein) pour signaler au consommateur un nouveau message dans le tampon le consommateur exécute P(Nplein) pour attendre un message C.Coquery NFP137 Cours 11 19
20 Producteur-Consommateur Schéma de synchronisation Contexte commun tampon de N cases vide; Sémaphore Nplein,Nvide; E0(Nplein,0);E0(Nvide,N) Processus producteur message m; produire un message(m); P(Nvide); déposer(m); V(Nplein); fait; Processus consommateur message m; P(Nplein); retirer(m); V(Nvide); consommer(m); fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 20
21 Producteur-Consommateur Respect des propriétés 2- le producteur attend si le tampon est plein : P(Nvide) il est réveillé dès que le tampon n est plus plein : V(Nvide) 3- le consommateur attend si le tampon est vide : P(Nplein) il est réveillé dès que le tampon n est plus vide : V(Nplein) 4- pas d interblocage : le producteur et le consommateur ne peuvent être bloqués simultanément, respectivement sur P(Nvide) et P(Nplein) C.Coquery NFP137 Cours 11 21
22 Producteur-Consommateur Gestion du tampon -Le tampon est géré circulairement, implanté par un tableau - On définit un indice de production queue et un indice de consommation tête - les messages doivent être consommés dans l ordre de leur production, tête et queue sont initialisées à la même valeur - Un message est consommé une fois et une seule C.Coquery NFP137 Cours 11 22
23 Producteur-Consommateur Schéma avec gestion du tampon Contexte commun sémaphore Nplein,Nvide; E0(Nplein,0);E0(Nvide,N); message tampon[n]; Processus producteur message m; entier queue=0; produire un message(m); P(Nvide); tampon[queue]=m;//déposer(m); V(Nplein); queue=(queue+1)%n; fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 23
24 Producteur-Consommateur Schéma avec gestion du tampon Processus consommateur message m; entier tête=0; P(Nplein); m=tampon[tête];//retirer(m); V(Nvide); tête=(tête+1)%n; fait C.Coquery NFP137 Cours 11 24
25 Producteur-Consommateur Propriété 1- exclusion mutuelle d accès aux messages Si le producteur et le consommateur travaillent sur la même case c est que tête=queue tête=queue tampon plein alors le producteur est bloqué tête=queue tampon vide alors le consommateur est bloqué C.Coquery NFP137 Cours 11 25
26 Producteurs-Consommateurs Producteurs consommateurs multiples Le schéma de synchronisation assure une exclusion mutuelle entre producteurs et consommateurs - plusieurs producteurs ne doivent pas déposer dans la même case, l indice de production queue est partagé =>exclusion mutuelle entre producteurs - plusieurs consommateurs ne doivent pas prélever le même message, l indice de consommation tête est partagé =>exclusion mutuelle entre consommateurs C.Coquery NFP137 Cours 11 26
27 Producteurs-Consommateurs Producteurs consommateurs multiples Contexte commun sémaphore Nplein,Nvide; E0(Nplein,0);E0(Nvide,N); sémaphore mutexprod,mutexcons; E0(mutexProd,1); E0(mutexCons,1); Entier tête,queue=0; Message tampon[n]; C.Coquery NFP137 Cours 11 27
28 Producteurs-Consommateurs Producteurs consommateurs multiples Processus unproducteur message m; produire un message(m); P(Nvide); P(mutexProd); tampon[queue]=m;//déposer(m); queue=(queue+1)%n; V(mutexProd) V(Nplein); fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 28
29 Producteurs-Consommateurs Producteurs consommateurs multiples Processus unconsommateur message m; P(Nplein); P(mutexCons); m=tampon[tête];//retirer(m); tête=(tête+1)%n; V(mutexCons); V(Nvide); fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 29
30 Lecteurs-Rédacteurs Compétition d accès à un ensemble de données par un ensemble de processus - lecteurs accès seulement en lecture - rédacteurs accès en lecture et écriture Objectif Garantir la cohérence des données Spécification - plusieurs lectures simultanément - les écritures sont en exclusion mutuelle C.Coquery NFP137 Cours 11 30
31 Lecteurs-Rédacteurs Hypothèse complémentaire tout processus termine sa lecture ou son écriture au bout d un temps fini Spécification de comportement - Les lectures sont concurrentes et cohérentes, les écritures sont en exclusion mutuelle - Priorité aux lecteurs, équité entre lecteurs et rédacteurs, service à l ancienneté C.Coquery NFP137 Cours 11 31
32 Lecteurs-Rédacteurs Schéma d exécution Processus unlecteur début-lecture;//contrôle l accès en lecture lecture; fin-lecture;//libère un accès en lecture ou en écriture fait; Processus unrédacteur début-écriture;//contrôle l accès en écriture écriture; fin-écriture;//libère un accès en lecture ou écriture fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 32
33 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution - Les rédacteurs doivent écrire en exclusion mutuelle avec un groupe de lecteurs et avec les autres rédacteurs soit mutex_a un sémaphore d exclusion mutuelle Un rédacteur exécute P(mutex_A) pour obtenir l accès Le premier lecteur d un groupe exécute P(mutex_A) pour obtenir l accès pour le groupe Une variable partagée NL permet de compter le nombre de lecteurs : s il y a déjà un lecteur alors autoriser un nouveau lecteur Un sémaphore d exclusion mutuelle mutex_nl permet de gérer l accès à NL et de bloquer tout lecteur non autorisé C.Coquery NFP137 Cours 11 33
34 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution - Un rédacteur bloqué est réveillé par un autre rédacteur ou par le dernier lecteur qui a fini de lire par V(mutex_A) - Un lecteur bloqué sur P(mutex_A) est réveillé par un rédacteur exécutant V(mutex_A) Un lecteur bloqué par P(mutex_L) est réveillé par le premier lecteur en exécutant V(mutex_NL) C.Coquery NFP137 Cours 11 34
35 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution Contexte commun entier NL=0;sémaphore mutex_a, mutex_nl; E0(mutex_A,1); E0(mutex_NL,1); Processus unlecteur; //début lecture P(mutex_NL); NL=NL+1; si NL=1 alors P(mutex_A);finsi; V(mutex_NL); lectures; //fin lecture P(mutex_NL); NL=NL-1; si NL=0 alors V(mutex_A);finsi V(mutex_NL); fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 35
36 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution (suite) Processus unrédacteur; //début écriture P(mutex_A); écritures; //fin écriture V(mutex_A); fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 36
37 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution Remarque - la solution donne une priorité aux lecteurs à partir du moment où une lecture est déjà en cours famine possible des rédacteurs Égalité entre les classes de lecteurs et de rédacteurs - les requêtes d accès de tous les processus sont mises dans une seule file d attente sous le contrôle d un sémaphore d exclusion mutuelle FIFO C.Coquery NFP137 Cours 11 37
38 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution égalité de priorité Contexte commun entier NL=0;sémaphore mutex_a,mutex_nl; E0(mutex_A,1); E0(mutex_NL,1); sémaphore FIFO; E0(FIFO,1); Processus unlecteur; //début lecture P(FIFO); P(mutex_NL); NL=NL+1; si NL=1 alors P(mutex_A); finsi; V(mutex_NL); V(FIFO); lectures; //fin lecture P(mutex_NL); NL=NL-1; si NL=0 alors V(mutex_A); V(mutex_NL; fait; C.Coquery NFP137 Cours 11 38
39 Lecteurs-Rédacteurs Schéma de solution égalité de priorités Processus unrédacteur; //début écriture P(FIFO); P(mutex_A); V(FIFO); écritures; //fin écriture V(mutex_A); fait; Ou Processus unrédacteur; //début écriture P(FIFO); P(mutex_A); écritures; //fin écriture V(mutex_A); V(FIFO); fait; Égalité de priorités si la file d attente du sémaphore FIFO est gérée à l ancienneté. C.Coquery NFP137 Cours 11 39
40 Le repas des philosophes Hypothèses chaque assiette (philosophe) a une place fixe chaque baguette a une place fixe accès à chaque baguette en exclusion mutuelle Propriétés souhaitées pas d interblocage pas de famine P4 B0 P0 B1 B4 P1 P3 P2 B2 B3 C.Coquery NFP137 Cours 11 40
41 Le repas des philosophes Une première solution prendre les baguettes une par une, la sienne, puis celle de droite Contexte commun sémaphore baguette[n]; tout i, E0(baguette[i],1); Processus Philosophe i // i identifiant 0..n-1 penser; P(baguette[i]);//prendre la baguette i; P(baguette[(i+1)%n])//prendre la baguette de droite; manger; V(baguette[i]); // rendre la baguette i; V(baguette[(i+1)%n])//rendre la baguette de droite; fait; Interblocage possible! C.Coquery NFP137 Cours 11 41
42 Le repas des philosophes Une solution sans interblocage : autoriser seulement n-1 philosophes à demander à manger, il n y a que n-1 chaises! Contexte commun sémaphore baguette[n]; tout i, E0(baguette[i],1); sémaphore chaise; E0(chaise,n-1)) Processus Philosophe i // i identifiant 0..n-1 penser; P(chaise); P(baguette[i]);//prendre la baguette i; P(baguette[(i+1)%n])//prendre la baguette de droite; manger; V(baguette[i]);// rendre la baguette i; V(baguette[(i+1)%n]);//rendre la baguette de droite; V(chaise); fait; Pas de famine si la file de chaise est gérée à l ancienneté C.Coquery NFP137 Cours 11 42
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