Programmation concurrente

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1 Programmation concurrente exécution parallèle : opérations executées en parallèle (comparer à l exécution séquentielle) programmation concurrente : indication de parallélisme potentiel dans le programme concept fondamental : processus/tâche (calcul séquentiel avec son fil d exécution) support de concurrence = méchanismes d interactions entre des processus : - communication = échange de données - synchronisation = échange d information de contrôle Université de Montréal Programmation concurrente 1

2 Programmation concurrente II synchronisation = contrôle de l ordre d exécution des tâches 1. pas de synchronisation : tâches disjointes 2. synchronisation coopérative (p.e., producteur-consommateur) 3. synchronisation compétitive (ressource à l usage exclusif) Université de Montréal Programmation concurrente 2

3 Vivacité vivacité = progrès de calcul deadlock = les tâches s attendent mutuellement exemple : les philosophes chinois livelock = le calcul ne progresse pas Université de Montréal Programmation concurrente 3

4 Sémaphores Sémaphores (Dijkstra 1965) sémaphore = un entier + queue d attente deux opérations : P («passeren», passer) et V («vrygeren», libérer) P et V sont des opérations atomiques ; une autre tâche ne prendra pas le contrôle pendant l exécution Université de Montréal Programmation concurrente 4

5 Sémaphores II P() { si compteur>0 alors compteur=compteur-1 sinon ajouter tâche à la queue d attente transfert de contrôle à une autre tâche V() { si queue est vide, alors compteur=compteur+1 sinon transfert de contrôle à une tache dans la queue Université de Montréal Programmation concurrente 5

6 Sémaphores III exemple d une sémaphore binaire en Algol 68 pour synchronisation compétitive sema mon_semaphore := level 1; # semaphore initialisé à 1 proc producteur = void: while (données à écrire) do down mon_semaphore; # P() # séction critique: écrire up mon_semaphore; # V() od proc consommateur = void: while (données à lire) do down mon_semaphore; # P() # séction critique: lire up mon_semaphore; # V() od par(producteur,consommateur); # deux tâches concurrentes Université de Montréal Programmation concurrente 6

7 Sémaphores IV exemple de synchronisation coopérative avec deux sémaphores Snonvide et Snonplein procédure Producteur... Snonplein.P(); -- ecrire -- Snonvide.V(); procédure Consommateur... Snonvide.P(); -- lire -- Snonplein.V(); Université de Montréal Programmation concurrente 7

8 Sémaphores V problèmes : aucune abstraction, aucune possibilité de tests statiques pour éviter un deadlock procédure A: Sema1.P(); Sema2.P();... Sema2.V(); Sema1.V(); procédure B: Sema2.P(); Sema1.P();... Sema1.V(); Sema2.V(); «un outil élégant pour le programmeur qui commet jamais aucune erreur» (Per Brinch Hansen 1973) Université de Montréal Programmation concurrente 8

9 Moniteurs idée : encapsulation des données partagées et les méthodes d accès donc : moniteur = un type abstrait Concurrent Pascal (Per Brinch Hansen) : procéssus (aussi un type) + moniteurs type buffer = monitor... variables et procédures locales... procedure entry lire(var c: char)... corps... procedure entry ecrire(c: char)... corps... begin... code d initialisation... end end Université de Montréal Programmation concurrente 9

10 Moniteurs II procéssus : un type (peut-être paramétrique) type buffer = monitor... end; type producteur = process(dest: buffer);... cycle... buffer.ecrire(qqch);... end end; type consommateur = process(source: buffer);... corps... end; var mon_buf: buffer; p: producteur; c: consommateur; begin init mon_buf, p(mon_buf), c(mon_buf); end. Université de Montréal Programmation concurrente 10

11 Moniteurs III synchronisation compétitive : tout accès à une ressource locale (une variable locale du moniteur) est par les méthodes d accès (procedure entry) synchronisation coopérative : à l aide des queues d attente (type queue de Concurrent Pascal) avec opérations de delay et continue Université de Montréal Programmation concurrente 11

12 Concurrence en Java la classe Thread class Thread extends Object implements Runnable { public static void sleep(long millis) throws InterruptedException; public static void sleep(long millis,int nanos) throws InterruptedExcep public void run(); public final void resume(); public final void stop(); public final void suspend(); public synchronized void start(); interface Runnable : une seule méthode run() Université de Montréal Programmation concurrente 12

13 Concurrence en Java II compétition : synchronized permet de construire les sections critiques class XX { public void methode(){... // objet verrouillé pour l exécution de l instruction synchronized(objet) instruction;... public synchronized void criticale(){... Université de Montréal Programmation concurrente 13

14 Concurrence en Java III coopération : wait() et notify() class MonBuffer { public synchronized void ecrire(char c){ try {while (this.plein) wait(); catch (InterruptedException E) { /* rien */... notify(); public synchronized char lire(){ try {while (this.vide) wait(); catch (InterruptedException E) { /* rien */... notify(); Université de Montréal Programmation concurrente 14

15 Concurrence en Java IV class Producteur extends Thread { private MonBuffer buffer;... public void run(){ while(true){... buffer.ecrire(c);... class Consommateur extends Thread { private MonBuffer buffer;... public void run(){ while(true){... c=buffer.lire();... Université de Montréal Programmation concurrente 15

16 Threads en Java constructeurs : Thread() ou Thread(Runnable R) méthode start() : lance un nouvel processus si constructeur sans argument, sa propre méthode de run() est appellée ; si constructeur avec Runnable R, alors R.run() est appellée Université de Montréal Programmation concurrente 16

17 Threads en Java II chaque fil a sa copie de variables accessibles exemple : deux fils avec accès au même objet E (de classe Exemple du cours) Fil 1 mémoire locale de fil 1 E copie 1 mémoire principale E mémoire locale de fil 2 E copie 2 Fil 2 Université de Montréal Programmation concurrente 17

18 Threads en Java III actions atomiques de bas niveau pour transfert de données Actions du fil Actions de la mémoire principale assign mémoire store write locale du fil use load read mémoire principale Université de Montréal Programmation concurrente 18

19 Threads en Java IV exemple fil 1 mémoire principale fil 2 A1 read b read a A3 /* suppose que Fil1 et Fil2 ont accès au même E */ load b use b assign a store a load a use a assign b store b class Exemple { int a=1; int b=2; void affectea(){a=b; void affecteb(){b=a; class Fil1 extends Thread { Fil1(Exemple E){this.E=E; public void run(){... E.affecteA; class Fil2 extends Thread { Fil2(Exemple E){this.E=E; public void run(){... E.affecteB(); A2 write a write b A4 Université de Montréal Programmation concurrente 19

20 Threads en Java V les actions des deux fils sont entrelacées cas ordre fil 1 fil 2 mém. princ. a b a b a b 1 A 1 < A 2 < A 3 < A A3 < A4 < A1 < A autres en cas 3, toutes les 3 copies sont différentes! Université de Montréal Programmation concurrente 20

21 Moniteurs de Java En Java, chaque objet possède un moniteur qui peut garder les séctions critiques accès au moniteur : synchronized trois possibilités : synchronized (objet) { instr moniteur associé à objet synchronized void Methode(){... moniteur associé à this static synchronized void Methode(){... moniteur associé à la classe actions de bas niveau : lock et unlock l objet est verrouillé pendant que le bloc synchronisé est executé : ce verrou est exclusif Université de Montréal Programmation concurrente 21

22 fil 1 lock E Moniteurs de Java II mémoire principale fil 2 lock E A1 read b read a A3 load b use b assign a load a use a assign b /* suppose que Fil1 et Fil2 ont accès au même E */ class Exemple { int a=1; int b=2; void synchronized affectea(){a=b; void synchronized affecteb(){b=a; store a store b A2 write a write b A4 unlock E unlock E Université de Montréal Programmation concurrente 22

23 Coopération en Java En Java, chaque objet possède une queue d attente de fils accès : wait() et notify() (doivent être appellés dans un bloc synchronisé) O.wait() : 1. le fil courant (F ) est mis dans la queue d attente de O 2. les verrous acquis par F sont relachés 3. attendre un des suivants : [a] un autre fil appelle O.notifyAll(), [b] un autre fil appelle O.notify() est F est choisi dans la queue d attente, [c] le temps spécifié à l aide de wait(long millisec) est passé 4. les verrous sont reacquis 5. F est activé Université de Montréal Programmation concurrente 23

24 Coopération en Java II notify() : choisit un fil dans la queue d attente («au hasard») pour réveiller notifyall() : tous les fils en attente sont réveillés Université de Montréal Programmation concurrente 24

25 Sémaphore en Java (rappel : sémaphore=compteur+queue d attente) class Semaphore { int compteur; Semaphore(int init){compteur=init; public synchronized void P(){ compteur--; if (compteur<0) wait(); public synchronized void V(){ compteur++; if (compteur<=0) notify(); Université de Montréal Programmation concurrente 25

26 Sémaphore en Java II fil 1 Sémaphore fil 2 compteur=1 sema.p() compteur=0 compteur=-1 sema.p() sema.v() compteur=0 (dorme) compteur=1 notify() sema.v() Université de Montréal Programmation concurrente 26