Projet de Programmation

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1 Projet de Programmation Système : Sémaphores et synchronisation de threads. Le problème du barbier : conception d une application multithreadée, synchronisée avec des sémaphores et des locks à la norme POSIX b. Nicolas Sayer 9 février 1998 Version 1 1 Introduction. Désolé, ce n est pas une habitude de ma part de transgresser les règles annoncées (contrairement à ce que pense mon père), mais je me voyais assez difficilement développer ce projet sous Windows, n ayant pas de Windows chez moi. De plus je dois avouer que je ne suis pas trop fana du monde de Bill. J ai donc écris et testé le programme sous UNIX en respect des normes POSIX sur les threads. Le programme compile et fonctionne sous Linux et Solaris Description détaillée du problème. Il s agit d un salon de coiffure dans lequel on rase la barbe des gens. Un seul barbier travaille dans ce salon. Le salon est décomposé en une salle d attente possédant un nombre fixe de chaises et une table avec des bandes dessinées, ainsi qu une salle de travail où le barbier rase le client en cours. Accessoirement cette salle de travail lui sert de chambre à coucher quand il n a pas de client, car notre barbier a la méchante habitude de faire la fête toute la nuit, il rattrape donc ces heures de sommeil perdues lorsque le salon est calme. Quand un client arrive, celui-ci ouvre la porte du salon de coiffure. Si aucune place n est disponible il reste dehors (même en février). Sinon il va s asseoir dans une chaise libre. A l ouverture de la porte un carillon venitien sonne pour réveiller notre barbier, si jamais il avait piqué un somme. Quand le barbier se

2 2 3 ANALYSE. libère d un client, celui-ci n a pas le droit de dormir si il reste du monde en salle. Il ouvre la porte et crie AU PROCHAIN!. A cet instant là un concours de vitesse a lieu entre chaque client. Celui qui est le plus rapide à poser sa BD est le prochain à se faire raser 1. Lorsque le barbier a fini de raser un client, ce dernier paye 10 francs (nous sommes toujours dans les années trente). Puis il quitte le salon. Le barbier prend le prochain client, à défaut il va se coucher...et ainsi de suite. 3 Analyse. 3.1 Organisation des threads. Notre programme devra être décomposé en deux types de threads. D un côté il y aura le barbier, représenter par un thread unique bouclant sans cesse pour voir si un client est là, s occuper de lui s il est là, ou alors aller se coucher. De l autre côté il y aura un thread par client, qui fera toutes les tâches du client physique. Il essayera de rentrer dans la boutique, ira s asseoir s il le peu, se fera raser, et disparaîtra. Alors que notre programme possédera un seul barbier, il pourra y avoir autant de clients que d hommes sur la planète (ou de moins que de place en mémoire). Les threads clients s empilerons donc en attendant que de la place se libère dans la salle d attente, puis que le barbier s occupe d eux. 3.2 Que fait le barbier? Le thread symbolisant la barbier sera donc unique. Il sera démarrś au lancement du programme, avant tout client, et bouclera sur lui-même pour l éternité. Voici ce que notre barbier passera sa vie à faire : Est-ce-qu il y a quelqu un dans la salle d attente? Si oui je m occupe de son cas, sinon je vais me coucher ; Quand un client est là je le fais entrer à l abbatoire ; Je le rase ; Je lui donne congé. Evidement, quand on arrive à la fin on re-boucle. 3.3 Que fait le client? Voici les actions que réalisera le thread symbolisant chaque client. S il y a plusieurs clients, des threads identiques seront en concurrence : Je regarde dans le salon de coiffure pour voir s il y a de la place de libre. Si oui je rentre, sinon j attend ; Quand je suis à l intérieur je m assieds sur une chaise (et je prens ma BD) ; J attends que le barbier soit libre ; Je me lève de ma chaise (et libère donc une place) et je rentre dans la pièce ; 1 situation peu réelle, mais vous avez du remarquer que ce salon de coiffure des années trente n est pas commun.

3 3 Je me laisse tailler la barbe ; Quand il a fini, je paye et je rentre chez moi. En regardant la différence de taille entre la liste d actions du barbier et du client, on remarque que le client fait plus de choses. En fait le client doit gérer une ressource supplémentaire par rapport au barbier : la place libre dans la salle d attente lorsqu il se présente à l entrée du salon. 4 Les ressources. Lors de la mise au point du programme je me suis trouvé devant deux façons de gérer les ressources. Soit j optimise au maximum et j ai un sémaphore et un lock en moins 2, soit j essaye de faire propre. J ai préféré la seconde solution car elle est beaucoup plus claire. Les primitives des sémaphores et des locks sous UNIX étant implantés au niveau du noyau, la différence en temps processeur est quasi-nulle. 4.1 Les nécessités. Tout d abord il est clair qu il va falloir un sémaphore sur le nombre de places de libre dans la salle d attente. Il limitera le nombre client pouvant se trouver dans la salle simultanément. Quand un client de trop se présentera le thread se mettra en attente de la libération de la ressource. Maintenant il faut gérer le sommeil du barbier. Il nous faut un sémaphore bloquant le barbier quand aucun client n est là. Il doit donc être incrémenté à l arrivée de chaque client et initialisé à zéro. Je viens ici de m occuper du simple. Passons maintenant à la gestion du passage du client. Il faut que le thread du barbier et celui du client est un moment en commun quand le rasage a lieu. Il existe une myriade de bidouilles possibles, mais le plus simple est encore de posséder deux sémaphores : un pour l arrivée du client, le second pour son départ. Pour finir j ai rajouté la gestion du paiement. Sans grand intérêt mais histoire de tripoter les mutex de POSIX. 4.2 Description détaillé. Voici la façon dont seront utilisés les quatre sémaphores de notre barbier virtuel : places Nombre de places disponible dans la salle d attente du salon. Lors de l arrivée d un client, celui-ci réalise un wait sur ce sémaphore. Si le nombre de place libre est nulle à son arrivée, il attendra qu un client libère une chaise. Le client réalise un post quand il réussit à rentrer dans la pièce du barbier (donc qu il se lève de la chaise). 2 Le lock sur la caisse est inutile car le client paye en fin de rasage et un seul client est rasé en même temps. Le barbier de son côté ne consulte jamais le montant de ces recettes quand un client est là.

4 4 5 ORGANISATION DU PROGRAMME. salle vide Le sémaphore salle vide correspond à une valeur égale au nombre de client se trouvant dans la salle d attente. Quand cette salle d attente ne compte aucun client elle vaut 0. Le barbier réalise un wait sur ce sémaphore et se bloque (va se coucher) quand la salle est vide. piece Ce sémaphore est initialisé à 0. Tout client arrivant dans la salle d attente se met en attente de la libération de cette ressource. Il est libérée par le barbier quand celui-ci est prêt à recevoir un client dans sa pièce de travail. dehors Le but de ce sémaphore est très proche du précédant. Le client effectue un wait dessus et c est le barbier qui libérera cette ressource par un post quand il a fini de raser le client. Alors que le sémaphore précédant synchronisait le début du rasage, celui-ci synchronise la fin. Je vais présenter maintenant un tableau récapitulatif de l évolution de chacun de ces sémaphores pendant le passage d un client dans ce salon de coiffure. Je suppose que le salon est vide avant son arrivé et qu aucun autre client n arrive pendant qu il est là. Je ne décrierai pas le fonctionnement du lock, il est assez explicite. places salle vide piece dehors action état initial exec(main) barbier couché 8 (0) 0 0 b :wait(salle_vide) arrivée d un client (8) (0) 0 0 c :wait(places) le client s asseoie 7 +(0) 0 0 c :post(salle_vide) le client attend 7 0 (0) 0 c :wait(piece) accueil du client 7 0 +(0) 0 b :post(piece) le client entre c :post(places) client en rasage (0) c :wait(dehors) le barbier rase (0) b :sleep() il libère son client (0) b :post(dehors) Les sémaphores encadrés par une paire de parenthèses signifient qu un wait a été effectué sur cette ressource et qu un thread est donc bloqué, en attente de la libération de cette ressource. Le + signifie qu un post a été effectué. 5 Organisation du programme. Notre programme : le barbier virtuel possède trois groupes de variables globales : Les quatre sémaphores ; Le lock pour la caisse ; La valeur de cette caisse. Il possède en plus deux fonctions : proc barbier et proc client, respectivement les procédures du barbier et du client. Le programme principal (main) s occupe tout d abord d initialiser les sémaphores et le lock. Puis il créé le thread correspondant au barbier. Celui-ci va directement se coucher vu qu aucun client n a encore été créé. Les threads simulant le client sont créés un par un, de façon dynamique quand l utilisateur appuie sur la touche entrée. S il laisse son doigt enfoncé quelques secondes sur la touche il peut créér très rapidement un nombre important de clients. Les résultats de l application sont envoyés sur la sortie standard (stdout).

5 5 Remarques d utilisation : Sur une station rapide ce petit programme peut très rapidement faire des bétises. Sous le système d exploitation Linux la machine a recours à l appel noyau clone() pour créer un nouveau thread, ce qui a pour effet de créer un nouveau processus. Lors de mes testes je me suis trouvé (après m être endormi moi-même sur la touche entrée ) avec plus de 200 processus client qui attendaient mon pauvre barbier... 6 Code source et exemple d utilisation. 6.1 Le fichier : Makefile Ce fichier contient les directives de compilation et de linkage pour créér le fichier exécutable. OBJ = barber.o LIB = -lpthread cc = gcc barber: $(OBJ) $(cc) -o barber $(OBJ) $(LIB) barber.o: clean: rm -f $(OBJ) barber core *~ 6.2 Le fichier : barber.c Voici le code source du simulateur de barbier. Il est écrit en C normé ANSI en respectant la norme POSIX actuelle sur les threads et les sémaphores. / NOM : barber.c VERSION : 2 AUTEUR : Nicolas Sayer COMPIL : gcc ARCH : POSIX b / #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> / Taille de la salle d attente / #define NB PLACES 8 / Lock pour le porte monnaie / pthread mutexattr t mutex attr ; pthread mutex t money lock ;

6 6 6 CODE SOURCE ET EXEMPLE D UTILISATION. / Les quatres semaphores / sem t places ; sem t salle vide ; sem t piece ; sem t dehors ; / Caisse du barbier / int porte monnaie=0 ; void proc barbier(void ptr) ; void proc client(void ptr) ; void main(void) / Thread du barbier / pthread t barbier ; / Ptr sur thread pour les clients / pthread t ptr sur thread ; / Init des semaphores / sem init(&places, 0, NB PLACES) ; sem init(&salle vide, 0, 0) ; sem init(&piece, 0, 0) ; sem init(&dehors, 0, 0) ; / Init du lock / pthread mutex init(&money lock, &mutex attr) ; / On demarre le barbier / pthread create(&barbier, NULL, (void )&proc barbier, NULL) ; / Quand le user fait un retour de chariot, on lance un client / while(1) getchar() ; printf("main : creation client.\n") ; ptr sur thread=(void )malloc(sizeof(pthread t)) ; pthread create((void )&ptr sur thread, NULL, (void )&proc client, NULL) ; / Quand le barbier meurt, on exit / pthread join(barbier, NULL) ; void proc barbier(void ptr) int i ; printf("b : Ouverture du magazin.\n") ; while(1)

7 6.3 Exemple. 7 sem getvalue(&salle vide, &i) ; if(i==0) pthread mutex lock(&money lock) ; i=porte monnaie ; pthread mutex unlock(&money lock) ; printf("b : je vais me coucher, journee a %i francs... pour l instant.\n",i ) ; sem wait(&salle vide) ; sem post(&piece) ; printf("b : je mousse un client.\n", i) ; sleep(2) ; printf("b : fini.\n") ; sem post(&dehors) ; void proc client(void ptr) int i ; printf("c : J arrive\n") ; sem getvalue(&places, &i) ; printf("c : Il reste %i places de libre.\n", i) ; sem wait(&places) ; printf("c : Je me pose sur une chaise (et je prend une BD).\n", i) ; sem post(&salle vide) ; sem wait(&piece) ; sem post(&places) ; printf("c : Je rentre dans la piece et me fait raser.\n") ; pthread mutex lock(&money lock) ; porte monnaie=porte monnaie+10 ; pthread mutex unlock(&money lock) ; sem wait(&dehors) ; printf("c : Je rentre chez moi, apres avoir payer.\n") ; 6.3 Exemple. Voici les messages sortie à l écran lors de l execution du barbier et la création de quelques clients : [sayer@hike source]$./barber b: Ouverture du magazin. b: je vais me coucher, journee a 0 francs... pour l instant. c: Il reste 8 places de libre.

8 8 6 CODE SOURCE ET EXEMPLE D UTILISATION. b: je vais me coucher, journee a 10 francs... pour l instant. c: Il reste 8 places de libre. c: Il reste 8 places de libre. c: Il reste 7 places de libre. c: Il reste 6 places de libre. c: Il reste 5 places de libre. b: je vais me coucher, journee a 60 francs... pour l instant.

9 9 7 Conclusion. J ai du passer sûrement quelques dizaines d heures sur les threads et les sémaphores pendant cette dernière session, mais j avoue que c était bien plus pour m amuser que pour réaliser ce rapport. Il est en effet très intéressant de voir les différents choix qu on pu faire Sun, Microsoft, ou Linux pour gérer les threads. J ai ainsi pu apprécier la très grande différence en temps d exécution entre une machine mono-processeur et une machine multi-processeur. Il y aurait évidemment beaucoup d extentions possible à faire à ce programme. Il serait intéressant que les clients soient traiter dans leur ordre d arrivée, ou que le salon soit animé par plusieurs barbiers. La raison pour laquelle j ai apprécié tout particulièrement ce TP est que j ai pu l étudier et le réaliser dans mon environnement fétiche, avec mes outils préférés (gcc, gdb, L A TEX)...