Synchronisation et communication entre processus

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1 Synchronisation et communication entre processus Interblocage et coalition Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 1

2 INTRODUCTION Système multiprocessus L'ordonnancement "entrelace" les exécutions P1 P2 P3 Processus non indépendants : accès concurrents aux ressources Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 2

3 Notion de ressources Définitions Une ressource désigne toute entité dont a besoin un processus pour s'exécuter. Ressource matérielle (processeur, périphérique) Ressource logicielle (variable) Une ressource est caractérisé par un état : libre /occupée par son nombre de points d'accès (nombre de processus pouvant l'utiliser en même temps) Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 3

4 Notion de ressources Utilisation d'une ressource par un processus Trois étapes : Allocation Utilisation Restitution Les phases d'allocation et de restitution doivent assurer que le ressource est utilisée conformément à son nombre de points d'accès ressource critique à un seul point d'accès Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 4

5 Interblocage, Famine et Coalition Interblocage Ensemble de n processus attendant chacun une ressource déjà possédée que par un autre processus de l'ensemble R1 et R2 à un seul point d'accès R1 Prendre R1 Prendre R2 Traitement P1 R2 Prendre R2 Prendre R1 Traitement P2 Aucun processus ne peut poursuivre son exécution Attente Infinie Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 5

6 Interblocage, Famine et Coalition Coalition Ensemble de n processus monopolisant les ressources au détriment de p autres processus R1 Prendre R1 Prendre R2 Traitement P1 Prendre R1 Prendre R2 Traitement R2 P2 Famine Attente finie mais indéfinie Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 6

7 Exemple d'interblocage Interblocage P2 P1 P1 : bande P2 : disque P1 : Imprimante P2 : attente imprimante attente bande P1 : attente disque Copie Imprimer Tri Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 7

8 Exclusion mutuelle Conditions nécessaires à l'obtention d'un interblocage Une ressource au moins doit se trouver dans un mode non partageable Occupation et attente Un processus au moins occupant une ressource attend d'acquérir des ressources supplémentaires détenues par d'autres processus Pas de réquisition Les ressources sont libérées sur seule volonté des processus les détenant Attente circulaire Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 8

9 Attente circulaire P2 attente imprimante détenue par P1 P1 attente disque détenue par P2 P2 P1 P1 : bande P2 : disque P1 : Imprimante P2 : attente imprimante attente bande P1 : attente disque Copie Imprimer Tri Joëlle Delacroix AMSI1999/2000 9

10 Méthodes de traitement des interblocages Permettre l'interblocage et le corriger Politique de guérison Ne pas permettre l'interblocage Politique de prévention ou d'évitement Ignorer le problème Politique de l'autruche (cf Unix) Joëlle Delacroix AMSI1999/

11 Politiques de guérison Le système maintient un graphe représentant l'allocation des ressources et les attentes des processus Régulièrement, le système parcourt le graphe à la recherche de cycles Si un cycle est découvert, celui-ci est cassé en avortant les processus en interblocage appartenant au cycle R1 R3 R1 R3 couteux P1 P2 P3 P1 P3 R2 R2 Joëlle Delacroix AMSI1999/

12 Attente circulaire P2 attente imprimante, bande détenues par P1 P1 attente disque détenue par P2 P2 P1 Copie Imprimer Avorter P2 car P1 détient déjà 2 ressources sur 3 Tri Joëlle Delacroix AMSI1999/

13 Politiques de prévention Assurer qu'au moins une des conditions nécessaires ne peut avoir lieu Exclusion mutuelle : difficile Occupation et attente : demander les ressources en une seule fois Pas de réquisition : difficile Attente circulaire : ordre total sur l'ordre de demandes de ressources Joëlle Delacroix AMSI1999/

14 Politiques de prévention Occupation et attente : demander les ressources en une seule fois 0 Demande des ressources Copie 1 Imprimer 3 Mauvaise utilisation des ressources Joëlle Delacroix AMSI1999/ Tri

15 Politiques de prévention Attente circulaire : ordre total sur l'ordre de demandes de ressources Unité de bandes avant le disque et avant l'imprimante P1 : bande P2 : disque P1 : Imprimante P2 : attente imprimante attente bande P1 : attente disque P1 : bande P2 : bande : en attente P1 : disque P1 : Imprimante Travail P1, libération P2 : bande P2 : disque P2 : imprimante Copie Joëlle Delacroix AMSI1999/ Tri Imprimer

16 Politiques d'évitement Examen dynamique de l'état d'allocation des ressources afin d'éviter l'attente circulaire A chaque demande d'allocation de ressource, le système détermine si accepter cette allocation peut on non mener le système à l'interblocage si oui, l'allocation est refusée. Vision pessimiste Joëlle Delacroix AMSI1999/

17 Politique de l'autruche Prétendre que les interblocages ne se produisent jamais et ne rien prévoir Un interblocage peut se produire et n'est pas détecté Détérioration des performances jusqu'à arrêt complet du système Rédémarrage manuel du système Joëlle Delacroix AMSI1999/

18 Politique de l'autruche Justification de ce choix Fréquence de l'interblocage Prévention Evitement Détection Guérison Perte de performance Démarrage manuel Joëlle Delacroix AMSI1999/

19 Interblocage, coalition et famine L'interblocage est une situation pour laquelle n processus sont en attente de ressources allouées à p autres processus eux-mêmes en attente de ressources allouées aux n processus : il se produit une attente circulaire entre les processus et aucun d'entre eux ne peut poursuivre son exécution : l'attente est infinie. Il existe quatre grandes familles de solutions vis-à-vis de l'interblocage : la politique de l'autruche, le politique de prévention, la politique d'évitement, la politique de guérison La coalition est une situation pour laquelle un ensemble de n processus monopolisent les ressources au détriment de p autres processus qui se trouvent en situation de famine. Les p autres processus ne peuvent pas s'exécuter : leur attente est finie mais de durée indéterminée. Joëlle Delacroix AMSI1999/

20 Synchronisation et communication entre processus Schémas classiques de synchronisation Joëlle Delacroix AMSI1999/

21 Un premier problème simple : l'exclusion mutuelle entre processus Accès à une ressource critique Joëlle Delacroix AMSI1999/

22 Introduction : un exemple simple de concurrence (I) Réservation : Si nb_place > 0 alors Réserver une place nb_place = nb_place - 1 fsi Joëlle Delacroix AMSI1999/

23 Introduction : un exemple simple de concurrence Client 1 Demande Réservation Nb_Place > 0 = 1 Client 2 Demande Réservation Nb_Place > 0 = 1 Nb_Place = Nb_Place - 1 Nb_Place = 0 Nb_Place = Nb_Place - 1 Nb_Place = -1!!! Joëlle Delacroix AMSI1999/

24 Section critique et exclusion mutuelle Processus Début Entrée Section Critique Ressource utilisable par un seul processus à la fois Fin Ressource Critique Nb_Place Sortie Section Critique SECTION CRITIQUE (code d'utilisation de la ressource critique) L'entrée et la sortie de SC doivent assurer qu'à tout moment, un seul processus s'exécute en SC (exclusion mutuelle) Joëlle Delacroix AMSI1999/

25 Un exemple simple de concurrence Client 1 Demande Réservation Protection de Nb_Place Nb_Place > 0 = 1 Client 2 Demande Réservation Nb_Place non accessible Nb_Place = Nb_Place - 1 Fin protection Nb_Place Protection de Nb_Place Nb_Place = 0 Joëlle Delacroix AMSI1999/

26 Section critique et exclusion mutuelle Masquage des interruptions Processus 1 Noyau Nb_Place Processus 2 Traitement IT Horloge Nb_Place Joëlle Delacroix AMSI1999/

27 Problème de la section critique Solution matérielle Masquage des interruptions Processus 1 IT Masquer IT Si nb_place > 0 alors Réserver une place nb_place = nb_place - 1 fsi Démasquer IT Non prise en compte Processus 2 Attente Joëlle Delacroix AMSI1999/

28 Problème de la section critique Une ressource critique est une ressource accessible par un seul processus à la fois. L'accès se fait en exclusion mutuelle dans la section critique. Une solution pour réaliser une section critique est d'interdire la prise en compte des interruptions durant l'utilisation de la ressource critique. Mais dangereux mode superviseur attente active bloquer les processus : les sémaphores Joëlle Delacroix AMSI1999/

29 Les sémaphores Structure P (Sem) File L V (Sem) Val Compteur K (niveau du sémaphore) Sem INIT (Val, Sem) Opérations indivisibles Joëlle Delacroix AMSI1999/

30 Les sémaphores Un sémaphore S peut être vu comme un distributeur de jetons l'opération INIT (S, Val) fixe le nombre de jetons initial l'opération P(S) attribue un jeton au processus appelant si il en reste sinon bloque le processus dans S.L l'opération V(S) restitue un jeton et débloque un processus de S.L si il en existe un. Joëlle Delacroix AMSI1999/

31 Les sémaphores Opération Init (Val, Sem) Init (Val, Sem) début masquer_it Sem. K := Val jetons; Sem. L := demasquer_it fin Val jetons Joëlle Delacroix AMSI1999/

32 Les sémaphores Opération P (Sem) P (Sem) Endormissement début masquer_it Si il reste un jeton alors le donner à ce processus sinon ajouter ce processus à Sem.L bloquer ce processus fsi demasquer_it fin 0 jetons Joëlle Delacroix AMSI1999/

33 Les sémaphores Opération P (Sem) : 1er cas Endormissement CPU élu prêt jetons P(Sem) Sem bloqué jeton - 1 Joëlle Delacroix AMSI1999/

34 Les sémaphores Opération P (Sem) : 2 ème cas Endormissement CPU élu prêt 0 jetons P(Sem) bloqué Sem Joëlle Delacroix AMSI1999/

35 Les sémaphores Opération V (Sem) V (Sem) Réveil début masquer_it Ajouter un jeton à S.K Si il y a un processus en attente de jeton dans S.L alors sortir un processus de Sem.L lui donner un jeton réveiller ce processus fsi demasquer_it fin jetons Joëlle Delacroix AMSI1999/

36 Les sémaphores Opération V (Sem) : 1er cas Réveil CPU élu V(Sem) prêt jetons bloqué jeton + 1 Sem Joëlle Delacroix AMSI1999/

37 Les sémaphores Opération V (Sem) : 2ème cas Réveil CPU élu V(Sem) prêt jetons jeton - 1 bloqué jeton + 1 Sem Joëlle Delacroix AMSI1999/

38 Section critique avec sémaphore 1 seul processus en section critique => 1 seul jeton Sémaphore Mutex initialisé à 1 P (Mutex) Entrée section_critique Section Critique V (Mutex) Sortie section_critique Joëlle Delacroix AMSI1999/

39 Section critique avec sémaphore Réservation : P(Mutex) Si nb_place > 0 alors Réserver une place nb_place = nb_place - 1 fsi V(Mutex) Joëlle Delacroix AMSI1999/

40 Client 1 Demande Réservation P(Mutex) Nb_Place > 0 = 1 Client 2 Demande Réservation P(Mutex) Nb_Place non accessible Nb_Place = Nb_Place - 1 V(Mutex) Nb_Place = 0 Joëlle Delacroix AMSI1999/

41 Un autre problème : l'allocation de ressources Accès à un ensemble de n ressources critiques Joëlle Delacroix AMSI1999/

42 Allocations de ressources N ressources exclusives de même type Allouer une ressource = prendre un jeton Res Rendre une ressource = rendre un jeton Res Sémaphore Res initialisé à N (1 jeton par ressource) Allocation : P(Res) Utilisation Ressource Restitution V(Res) Joëlle Delacroix AMSI1999/

43 Init (Res, 3) Allocations de ressources P(Res) alloué P3 P1 P(Res) alloué P(Res) alloué P(Res) Bloqué P4 P2 V(Res) Joëlle Delacroix AMSI1999/

44 Init (Res, 3) Les sémaphores Allocations de ressources P3 P1 P(Res) P4 P2 V(Res) Joëlle Delacroix AMSI1999/

45 Un problème plus complexe: les lecteurs/rédacteurs ECRITURE FICHIER LECTURES Le contenu du fichier doit rester cohérent : pas d'écritures simultanées Les lectures doivent être cohérentes : pas de lectures en même temps que les écritures Joëlle Delacroix AMSI1999/

46 Lecteurs /Rédacteurs : un exemple Consulter_Fichier_annonce debut ouvrir(fichier_annonce, lecture); pour chaque annonce du fichier lire(annonce) fin pour fermer(fichier_annonce) fin Modifier_Fichier_annonce (in annonce, operation) -- operation = ajouter, modifier ou effacer debut ouvrir(fichier_annonce, ecriture); operation(annonce) fermer(fichier_annonce) fin Joëlle Delacroix AMSI1999/

47 Notion de synchronisation Lecteurs / Rédacteurs ECRITURE FICHIER LECTURES Ecriture seule - Lectures simultanées Un écrivain exclut Un lecteur exclut - les écrivains - les lecteurs - les écrivains Joëlle Delacroix AMSI1999/

48 ECRITURE Les sémaphores Lecteurs / Rédacteurs Un écrivain exclut les écrivains et les lecteurs Un écrivain accède toujours seul Un écrivain effectue des accès en exclusion mutuelle des autres écrivains et des lecteurs Sémaphore d'exclusion mutuelle Accès initialisé à 1 Joëlle Delacroix AMSI1999/

49 Ecrivain Les sémaphores Lecteurs / Rédacteurs M'assurer que l'accès au fichier est libre P(Accès) entrer en écriture Libérer l'accès au fichier V(Accès) Joëlle Delacroix AMSI1999/

50 Lecteurs /Rédacteurs : un exemple Consulter_Fichier_annonce debut ouvrir(fichier_annonce, lecture); pour chaque annonce du fichier lire(annonce) fin pour fermer(fichier_annonce) fin Modifier_Fichier_annonce (in annonce, operation) -- operation = ajouter, modifier ou effacer debut ouvrir(fichier_annonce, ecriture); operation(annonce) fermer(fichier_annonce) fin P(ACCES) V(ACCES) Joëlle Delacroix AMSI1999/

51 LECTURES Les sémaphores Lecteurs / Rédacteurs Un lecteur exclut les écrivains Un premier lecteur doit s'assurer qu'il n'y a pas d'accès en écriture en cours Le dernier lecteur doit réveiller un éventuel écrivain NL, nombre de lecteurs courants, initialisé à 0 Joëlle Delacroix AMSI1999/

52 Lecteur Compter un lecteur de plus Si je suis le premier lecteur alors Y-a-t-il un écrivain? si oui, attendre fsi entrer en lecture Les sémaphores Lecteurs / Rédacteurs P(Mutex) NL : = NL + 1 Si (NL = 1) alors P(ACCES) fsi V(Mutex) Accès lecture Compter un lecteur de moins Si je suis le dernier, réveiller un écrivain P(Mutex) NL := NL - 1; Si (NL = 0) alors V(ACCES) fsi V(Mutex) Joëlle Delacroix AMSI1999/

53 Lecteurs /Rédacteurs : un exemple Consulter_Fichier_annonce debut ouvrir(fichier_annonce, lecture); pour chaque annonce du fichier lire(annonce) fin pour fermer(fichier_annonce) fin Modifier_Fichier_annonce (in annonce, operation) -- operation = ajouter, modifier ou effacer debut ouvrir(fichier_annonce, ecriture); operation(annonce) fermer(fichier_annonce) fin P(Mutex) NL : = NL + 1 Si (NL = 1) alors P(ACCES) fsi V(Mutex) P(Mutex) NL := NL - 1; Si (NL = 0) alors P(ACCES) V(ACCES) fsi V(Mutex) V(ACCES) Joëlle Delacroix AMSI1999/

54 Un problème plus complexe: les lecteurs/rédacteurs Lecteur 1 (NL =1) P(ACCES) FICHIER Lecteurs suivants (NL > 1) 1 ACCES dernier lecteur (NL = 0) V(ACCES) 2 rédacteur Joëlle Delacroix AMSI1999/ P(ACCES) V(ACCES)

55 ouf Un dernier problème! le producteur/consommateur Tampon de messages Producteur Consommateur Un producteur ne doit pas produire si le tampon est plein Un consommateur ne doit pas faire de retrait si le tampon est vide Producteur et consommateur ne doivent jamais travailler dans une même case Joëlle Delacroix AMSI1999/

56 Producteur - Consommateur Producteur Si il n'y a pas de case libre alors attendre sinon déposer le message fsi Consommateur Si il y a pas de case pleine alors attendre sinon prendre le message fsi On associe un ensemble de jetons aux cases vides : N jetons VIDE deposer le message = prendre un jeton VIDE On associe un ensemble de jetons aux cases pleines : 0 jetons PLEIN prendre le message = prendre un jeton PLEIN Joëlle Delacroix AMSI1999/

57 Producteur - Consommateur Producteur Si il n'y a pas de case libre alors attendre sinon déposer le message nouvelle case pleine fsi Consommateur Si il y a pas de case pleine alors attendre sinon prendre le message nouvelle case vide fsi On associe un ensemble de jetons aux cases vides : N jetons VIDE deposer le message = prendre un jeton VIDE et génerer un jeton PLEIN On associe un ensemble de jetons aux cases pleines : 0 jetons PLEIN prendre le message = prendre un jeton PLEIN et générer un jeton VIDE Joëlle Delacroix AMSI1999/

58 Producteur-Consommateur Producteur Si il n'y a pas de case libre alors attendre sinon déposer le message nouvelle case pleine fsi allocation de ressources cases vides P (Sémaphore Vide) une ressource case pleine disponible V (Sémaphore Plein) Joëlle Delacroix AMSI1999/

59 Producteur - Consommateur allocation de ressources cases pleines P (Sémaphore Plein) une ressource case vide disponible V (SémaphoreVide) Consommateur Si il y a pas de case pleine alors attendre sinon prendre le message nouvelle case vide fsi Joëlle Delacroix AMSI1999/

60 Producteur - Consommateur Producteur Consommateur P(Vide) déposer le message V(Plein) P(Plein) retirer le message V(Vide) Sémaphore Vide initialisé à N : Init (Vide, N) Sémaphore Plein initialisé à 0 : Init (Plein, 0) Joëlle Delacroix AMSI1999/

61 Producteur - Consommateur VIDE PLEIN VIDE PLEIN RETRAIT P(PLEIN) V(VIDE) VIDE PLEIN DEPOT P(VIDE) V(PLEIN) VIDE PLEIN DEPOT P(VIDE) V(PLEIN) VIDE PLEIN DEPOT P(VIDE) V(PLEIN) VIDE PLEIN RETRAIT P(PLEIN) V(VIDE) Joëlle Delacroix AMSI1999/

62 Producteur - Consommateur Exemples de mécanismes système Outils de communication Unix basés sur le schéma producteur/consommateur : les tubes Unix - les messages-queues Producteur Ecriture bloquante - pas de consommateurs - tube plein Consommateur Lecture bloquante - pas de producteurs - tube vide MSQID write(p[1]) read(p[0]) Consommateur msqrcv(msqid, message) Flux d'octets pipe(p) Producteur msqsnd(msqid, message) Joëlle Delacroix AMSI1999/

63 Synchronisation de processus Les exécutions de processus ne sont pas indépendantes : les processus peuvent vouloir communiquer et accéder de manière concurrente à des ressources Le sémaphore S est un outil système de synchronisation assimilable à un distributeur de jeton et manipulable par seulement trois opérations atomiques : P(S), V(S) et Init(S) Il existe plusieurs schémas typiques de synchronisation à partir desquels sont élaborés des outils de communication entre processus : l'exclusion mutuelle les lecteurs/rédacteurs les producteur/consommateur Joëlle Delacroix AMSI1999/