Introduction à la programmation concurrente

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1 à la programmation concurrente Moniteurs Yann Thoma Reconfigurable and Embedded Digital Systems Institute Haute Ecole d Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud Mai 2012 Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Concept de moniteur Proposé par Hoare en 1974 Permet de résoudre la synchronisation des tâches Permet de regrouper des variables ainsi que les procédures agissant sur ces variables Assure l exclusion mutuelle sur les procédures du moniteur Synchronisation assurée par des primitives wait() signal() Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

2 Structure d un moniteur monitor <nom> <déclarations des variables rémanentes locales>; <déclarations des variables conditions>; procedure OpérationLocale(liste de paramètres) <déclarations des variables locales>; <code pour implémenter l opération>; end; entry procedure OpérationVisible(liste de paramètres) <déclarations des variables locales>; <code pour implémenter l opération>; end; <code pour initialiser les variables rémanentes>; end; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Variable condition Synchronisation des tâches grâce aux variables conditions (VC) Une VC offre 2 primitives: attente signale Soit la VC cond déclarée par condition cond; cond.attente bloque inconditionnellement la tâche appelante lui fait relâcher l exclusion mutuelle sur le moniteur la place dans une file associée à cond cond.signale dépend de l état de la file associée à cond vide la tâche appelante poursuit son exécution et l opération n a aucun effet. pas vide une des tâches bloquées est réactivée et reprend immédiatement son exécution Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

3 Exemple: Verrou par moniteur monitor VerrouMoniteur var verrou: boolean; var acces: condition; entry procedure Verrouille if verrou then acces.attente; verrou := true; end Verrouille; entry procedure Deverrouille verrou := false; acces.signale; end Deverrouille; verrou := false; end VerrouMoniteur; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Exemple: Producteur-consommateur monitor Tampons var place: array [0..N-1] of ARTICLE; var tete, queue, taille: integer; var pasplein, pasvide: condition; entry procedure deposer(a: ARTICLE) if taille = N then pasplein.attente; taille := taille + 1; place[tete] := a; tete := (tete + 1) mod N; pasvide.signale; end deposer; entry procedure retirer(var a: ARTICLE) if taille = 0 then pasvide.attente; a := place[queue]; taille := taille - 1; queue := (queue + 1) mod N; pasplein.signale; end retirer; taille := 0; queue := 0; tete := 0; end Tampons; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

4 Moniteur Posix Un moniteur Posix associe: Un mutex, qui assure l exclusion mutuelle Une variable de condition, qui sert de point de signalisation Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Fonctions Posix Fonction int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr) int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime) Description Initialisation d une variable condition Attente sur la variable Attente avec échéance pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond) Réveil potentiel d un thread pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond) Réveil de tous les threads en attente Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

5 Structure type d un moniteur en POSIX void unefonction() { pthread_mutex_lock(&mutex); // Evaluer C while(!c) { pthread_cond_wait(&variablecond,&mutex); // Réévaluer C si nécessaire // Exécuter la fonction demandée pthread_mutex_unlock(&mutex); void uneautrefonction() { pthread_mutex_lock(&mutex); // Faire quelque chose // Modifier la condition C (passer à true) pthread_cond_signal(&variablecond); pthread_mutex_unlock(&mutex); Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Exemple de producteurs/consommateurs en POSIX #include <pthread.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> static pthread_cond_t estlibre, estplein; static pthread_mutex_t protege; static char *tampon = NULL; /* Initialise le producteur/consommateur. */ void InitialiseTampon(void) { pthread_mutex_init(&protege,null); pthread_cond_init(&estlibre,null); pthread_cond_init(&estplein,null); /* fin de InitialiseTampon */ void DetruitTampon(void) { pthread_mutex_destroy(&protege); pthread_cond_destroy(&estlibre); pthread_cond_destroy(&estplein); if (tampon!= NULL) { free(tampon); tampon = NULL; /* fin de DetruitTampon */ Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

6 Exemple de producteurs/consommateurs en POSIX /* Depose le message msg (qui est dupliqué) et bloque tant que le ** tampon est plein. */ void Deposer(char *msg) { pthread_mutex_lock(&protege); while (tampon!= NULL) pthread_cond_wait(&estlibre,&protege); if ((tampon = (char *)malloc(strlen(msg) + 1))!= NULL) { strcpy(tampon,msg); pthread_cond_signal(&estplein); pthread_mutex_unlock(&protege); /* fin de Deposer */ /* Renvoie le message du tampon et bloque tant que le tampon est vide. ** La libération de la mémoire contenant le message est à la charge de ** l appelant. */ char *Prelever(void) { char *resultat; pthread_mutex_lock(&protege); while (buffer == NULL) pthread_cond_wait(&estplein,&protege); resultat = tampon; tampon = NULL; pthread_mutex_unlock(&protege); pthread_cond_signal(&estlibre); return resultat; /* fin de Prelever */ Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Implémentation de moniteurs à partir de sémaphores (1) Etape 1: Pour chaque variable (instance) mon de type moniteur, créer un enregistrement : typedef struct { sem_t mutex; sem_t signale; //file bloquante des signaleurs unsigned nbsignale; //tâches en attente dans signal T_Moniteur; T_Moniteur mon; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

7 Implémentation de moniteurs à partir de sémaphores (2) Etape 2: Chaque procédure constituant un point d entrée du moniteur est encadré par : sem_wait(&mon.mutex); < code de la procédure> if (mon.nbsignale > 0) sem_post(&mon.signale); sem_post(&mon.mutex); Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Implémentation de moniteurs à partir de sémaphores (3) Etape 3: Pour chaque variable condition cond du moniteur, créer un enregistrement: typedef struct { sem_t attente; unsigned nbattente; //tâches en attente T_Condition; T_Condition cond; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

8 Implémentation de moniteurs à partir de sémaphores (4) Etape 4: Dans toutes les procédures du moniteur, substituer cond.attente par : cond.nbattente += 1; if (mon.nbsignale > 0) sem_post(&mon.signale); sem_post(&mon.mutex); sem_wait(&cond.attente); cond.nbattente -= 1; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Implémentation de moniteurs à partir de sémaphores (5) Etape 5: Dans toutes les procédures du moniteur, substituer cond.signale par : if (cond.nbattente > 0) { mon.nbsignale += 1; sem_post(&cond.attente); sem_wait(mon.signale); mon.nbsignale -= 1; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

9 Exemple: producteurs/consommateurs monitor Tampons var place: array [0..N-1] of ARTICLE; var tete, queue, taille: integer; var pasplein, pasvide: condition; taille := 0; queue := 0; tete := 0; end Tampons; static T_Moniteur Tampons; static ARTICLE place[0..n-1]; static int tete, queue, taille; static T_Condition pasplein, pasvide; Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Exemple: producteurs/consommateurs monitor Tampons entry procedure deposer(a: ARTICLE) if taille = N then pasplein.attente; taille := taille + 1; place[tete] := a; tete := (tete + 1) mod N; pasvide.signale; end deposer; end Tampons; void deposer(article a) { if (taille == N) { pasplein.nbattente += 1; sem_wait(&pasplein.attente); pasplein.nbattente -= 1; taille += 1; place[tete] = a; tete = (tete + 1) % N; if (pasvide.nbattente > 0) { Tampons.nbSignale += 1; sem_post(&pasvide.attente); sem_wait(tampons.signale); Tampons.nbSignale -= 1; /* fin de deposer */ Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

10 Exemple: producteurs/consommateurs monitor Tampons entry procedure retirer(var a: ARTICLE) if taille = 0 then pasvide.attente; a := place[queue]; taille := taille - 1; queue := (queue + 1) mod N; pasplein.signale; end retirer; end Tampons; void retirer(article *a) { if (taille == 0) { pasvide.nbattente += 1; sem_wait(&pasvide.attente); pasvide.nbattente -= 1; a = place[queue]; taille -= 1; queue = (queue + 1) % N; if (pasplein.nbattente > 0) { Tampons.nbSignale += 1; sem_post(&pasplein.attente); sem_wait(tampons.signale); Tampons.nbSignale -= 1; /* fin de retirer */ Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Optimisation void deposer(article a) { if (taille == N) { pasplein.nbattente += 1; sem_wait(&pasplein.attente); pasplein.nbattente -= 1; taille += 1; place[tete] = a; tete = (tete + 1) % N; if (pasvide.nbattente > 0) { Tampons.nbSignale += 1; sem_post(&pasvide.attente); sem_wait(tampons.signale); Tampons.nbSignale -= 1; /* fin de deposer */ void deposer(article a) { if (taille == N) { pasplein.nbattente += 1; sem_wait(&pasplein.attente); pasplein.nbattente -= 1; taille += 1; place[tete] = a; tete = (tete + 1) % N; if (pasvide.nbattente > 0) sem_post(&pasvide.attente); /* fin de deposer */ Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22

11 Optimisation (2) solution void deposer(article a) { if (taille == N) { pasplein.nbattente += 1; sem_wait(&pasplein.attente); pasplein.nbattente -= 1; taille += 1; place[tete] = a; tete = (tete + 1) % N; if (pasvide.nbattente > 0) sem_post(&pasvide.attente); /* fin de deposer */ void retirer(article *a) { if (taille == 0) { pasvide.nbattente += 1; sem_wait(&pasvide.attente); pasvide.nbattente -= 1; a = place[queue]; taille -= 1; queue = (queue + 1) % N; if (pasplein.nbattente > 0) sem_post(&pasplein.attente); /* fin de retirer */ Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22 Remarques finales Avantages des moniteurs une protection associée au moniteur (exclusion mutuelle); une souplesse d utilisation des primitives attente et signale; une efficacité de ces mécanismes. Inconvénients des moniteurs un risque de manque de lisibilité qui est partiellement dû à des variations sémantiques des implémentations dans les divers langages qui les supportent. Dans le cas de pthread, il n y a aucune garantie que les variables partagées sont effectivement accédées uniquement depuis les points d entrée du moniteur qui devrait les protéger; les variables condition sont de bas niveau; l impossibilité d imposer un ordre total ou partiel dans l exécution des procédures ou fonctions exportées. Yann Thoma (HES-SO / HEIG-VD / REDS) à la programmation concurrente Mai / 22