4. Semafoare. Probleme Clasice

5/21/2018 4. Semafoare. Probleme Clasice

1/42

Semafoare.Probleme clasice.

Ciprian Dobre

[email protected]


2/42

Sincronizarea: excluderea mutual i sincronizarea

condiionat. Cteva rezultate notabile:

semafoare

regiuni critice monitoare

Cteva dintre problemele clasice:

productori-consumatori problema filozofilor

cititori-scriitori

problema brbierului

Dezvoltarea algoritmilor folosind

variabile partajate (MIMD)


3/42

Tip special de variabile partajate manipulate prin 2

operaii atomice: P i V (Dijkstra, 1965)

Valoarea semaforului: unntreg nenegativ

V (verhogen = to increment) semnaleaz apariia unui eveniment (incrementeaz

semaforul)

P (proberen = to test) ntrzie un proces pn la producerea unui eveniment

(decrementeaz semaforul)

Semafoare


4/42

Problema

Fiecare proces P(i) al unei colecii de procese P(i:1..n) execut

ciclic o

seciune criticn care are acces exclusiv la anumite resurse partajateurmat de o seciune necriticn care folosete doar resurse locale.

Soluie

var mutex: sem := 1;

co P(i:1..n)::

do true ->

P(mutex); /* acaparare seciune critic */

Seciune critic;V(mutex); /* eliberare seciune critic */

Seciune necritic

od

oc

Seciuni critice


5/42

Exemplu executie

Sectiunecritica

time


6/42

Problema

Se consider M productori i N consumatori care comunic printr-un singurtampon partajat.

Productori i consumatori

TT

T

Am loc? Am ce prelua?


7/42


Soluia

var buf: T; /* T tipul datelor */

var gol: sem := 1, plin: sem := 0; /* sem binare */

co Productor (i: 1..M):: co Consumator (i: 1..N)::

var v: T; var w: T;

do true -> do true ->

v := produce(); P(plin);

P(gol); w := buf;

buf := v; V(gol);V(plin); consum(w);

od; od;

oc oc

semnalizare


8/42

var buf: array [1:k] of T;

var gol: sem := k, plin: sem := 0; /* semafoare generale */

co Productor::

var v: T;

var ultim: int := 1;

do true ->

v := produce();

P(gol); /* exist locuri goale? */

buf[ultim] := v;

ultim := ultim mod k + 1; /* circular */V(plin);

od;

Consumator::

var w: T;

var prim: int := 1;

do true ->

P(plin); /* exist valori n buffer? */

w := buf[prim]; prim := prim mod k + 1;

V(gol);

consum(w);

od;oc

Comunicarea productor i consumator prin

tampon limitat


9/42

Comunicarea productor i consumator prin

tampon limitat

TT

k x T

Am loc?Am ce prelua?


10/42

var buf: array [1:k] of T;

var prim: int := 1, ultim: int := 1;

var gol: sem := k, plin: sem := 0;

var mutexP: sem := 1, mutexC: sem := 1;

co Productor(i:1..M):: co Consumator (i: 1..N)::

var v: T; var w: T;do true -> do true ->

v := produce(); P(plin);

P(gol); P(mutexC);

P(mutexP); w := buf[prim];

buf[ultim] := v; prim := prim mod k + 1ultim := ultim mod k + 1; V(mutexC);

V(mutexP); V(gol);

V(plin); consum(w);

od; od;

oc oc

Mai muli productori i mai muli consumatori

sectiune

critica


11/42

co Filozof (i:1..5)::

do true ->

ia beioare;

mnnc;

elibereaz beioare;

gndete;

od

oc

1

2

3

4

5

1 2

3

4

5

Descartes

Socrate

Confucius

EliadePlaton

DEADLOCKFiecare mai are nevoie de un beior

Problema filozofilor


12/42

var b: array [1:5] of sem := ([5] 1);

co Filozof (i:1..4)::

do true ->

P(b[i]); P(b[i+1]);

mnnc;

V(b[i]); V(b[i+1]);

gndete;

od;

Filozof (5)::

do true ->

P(b[1]); P(b[5]);

mnnc;

V(b[1]); V(b[5]);

gndete;

od;

co

1

2

3

45

1 2

35

4Descartes

Socrate

Confucius

EliadePlaton

Problema filozofilor (2)


13/42

Problema cititorilori scriitorilor

Excludere mutualzona de memorie

(resursa critica)

1) Un singur scriitor are dreptul sa

scrie la un moment dat,2) Doar daca nu exista un cititor

curent care citeste

1) Un cititor poate citi din

memorie, indiferent daca deja

exista alti cititori ce deja citesc

2) Doar daca nu exista un scriitor

care scrie


14/42

var rw: sem := 1;

co Cititor (i: 1..m)::

do true ->

P(rw);

citete din resursa comun;

V(rw);od;

Scriitor (j: 1..n)::

do true ->

P(rw);

scrie n resursa comun;

V(rw);

od;

oc

Problema cititorilori scriitorilor

Excludere mutual

Excludere mutuala strica !Un singur proces are voie sa

execute opeartii pe resursa

critica


15/42

zona de memorie

(resursa critica)


16/42

var nr: int := 0; mutexR: sem := 1, rw: sem := 1;


do true ->P(mutexR);

nr := nr + 1;

if nr = 1 -> P(rw) fi; /* dac primul cititor */

V(mutexR);

citete din resursa comun;P(mutexR);

nr := nr - 1;

if nr = 0 -> V(rw) fi; /* dac ultimul cititor */

V(mutexR);

od;Scriitor (j: 1..n)::

do true ->

P(rw);


V(rw);

od;

oc

Problema cititorilor si scriitorilor

Excludere mutual(2)

sectiunecritica


17/42

zona de memorie

(resursa critica)nr = 0

nr = 1

nr = 2


18/42

Invariant global:

RW: ( nr == 0 || nw == 0 ) && nw


19/42

var nr: int := 0, nw: int := 0;


do true ->

nr := nr + 1>


od;

Scriitor (j: 1..n)::

do true ->

nw := nw + 1>


od;

oc

Problema cititorilori scriitorilorSincronizare condi

ionat

(2)


20/42

Politici:

noile cereri de la cititori sunt ntrziate dac un scriitor ateapt un cititor ntrziat este trezit doar dac nu exist un scriitor n

ateptare.

var nr: int := 0; /* nr. cititori care folosesc resursa */

nw: int := 0; /* nr. scriitori care folosesc resursa */

var e: sem := 1; /* intrare seciune atomic */

r: sem := 0; /* ateapt nw == 0 */

w: sem := 0; /* ateapt ca nw == 0 i nr == 0 */

var dr: int := 0; /* nr. cititori ntrziai */

dw: int := 0; /* nr. scriitori ntrziai */


ionat

(3)


21/42

Split binary semaphore

Folosit pentru a implementa att excluderea mutual ct i sincronizareacondiionat.

Semafoarele e, ri w formeazmpreun un semafor splitat(split binarysemaphore):

cel mult un semafor este 1 la un moment dat 0 e + r + w 1 fiecare cale de execuie ncepe cu un P i se termin cu un singur V

instruciunile ntre P i V se executn excludere mutual.

Tehnica se numete pasareatafetei:

Iniial un semafor este 1 i un proces poate preluatafeta printr-o operaie Pasupra semaforului

cnd un proces deinetafeta (se executntr-o seciune critic i toatesemafoarele sunt 0), el poate pasa tafeta altui proces printr-o operaie Vasupra unuia din cele trei semafoare.


ionat

(4)


22/42


do true ->

P(e);if nw > 0 or dw > 0 ->

dr := dr + 1; V(e); P(r);

fi;

nr := nr + 1;

if dr > 0 -> dr := dr - 1; V(r);

[] dr == 0 -> V(e);

fi;


P(e);nr := nr - 1;

if nr == 0 and dw > 0 -> dw := dw - 1; V(w);

[] nr > 0 or dw == 0 -> V(e);

fi;

od;oc


ionat

(5)


23/42

co Scriitor (j: 1..n)::

do true ->

P(e);if nr > 0 or nw > 0 ->

dw := dw + 1; V(e); P(w)

fi;

nw := nw + 1;

V(e);


P(e);

nw := nw - 1;

if dr > 0 and dw == 0 -> dr := dr - 1; V(r);

[] dw > 0 -> dw := dw-1; V(w);

[] dr == 0 and dw == 0 -> V(e);

fi;

od;

oc


ionat

(6)


24/42

Problema:

O frizerie cu un brbier, unscaun de brbier, n scaunede ateptare.

Cnd nu sunt clieni,brbierul doarme.

Cnd sosete un client fietrezete brbierul, fie

ateapt dac acesta eocupat.

Dac toate scaunele suntocupate, clientul pleac.

Problema brbierului


25/42

Ce se poate intampla rau?

https://www.youtube.com/watch?v=APfn72TeUkA


26/42

clienti

BarbierGata

Pas 1


27/42

clienti

BarbierGata

Pas 2


28/42

clienti

BarbierGata

Pas 3


29/42

clienti

BarbierGata

Pas 4


30/42

var NumrScauneLibere: int := n,

Clieni: sem := 0,

BrbierGata: sem := 0,

Scaune: sem:= 1;

co Brbier::

do true ->

P(Clieni); /* se cautun client;

dacexist, este chemat */

P(Scaune); /* are client, va modifica

NumrScauneLibere */

NumrScauneLibere++; /* se elibereazun scaun */V(BrbierGata); /* brbierul e gata stund */

V(Scaune); /* a terminat de modificat

NumrScauneLibere */

/* Brbierul tunde... */

odco

Problema brbierului (2)

atomicitate

sincronizare cu Client


31/42

co Client(i:1..m)

do true ->

P(Scaune); /* clientul ncearcsob

in

un scaun liber */

if NumrScauneLibere > 0 -> /* existun scaun disponibil? */

NumrScauneLibere--; /* clientul se aaz*/

V(Clieni); /* se anunbrbierul cs-a

ocupat un scaun */V(Scaune); /* se renunla accesul asupra

NumrScauneLibere */

P(BrbierGata); /* clientul ateaptpentru a

fi tuns */

/* Clientul e tuns... */[] NumrScauneLibere == 0 ->/* nu sunt scaune libere */

V(Scaune); /* elibereazmutexul */

/* Clientul pleacnetuns... */

fi

odoc

Problema brbierului (2)

atomicitate

sincronizare cu Barbier


32/42

Sumar

Dezvoltarea algoritmilor folosind variabile

partajate (MIMD)

Semafoare

Seciuni critice Probleme:


Problema filozofilor

Problema cititorilor i scriitorilor

Problema brbierului


33/42

Quiz

Cum ati implementa o bariera folosind semafoare?

Ex. (suma elementelor unui vector):

var a: array [1:n] of int;co suma (k:1..n)::

fa j := 1 to sup( ) ->if k mod 2j = 0 ->

a[k] := a[k-2j-1] + a[k]fi

barrieraf

oc

Nu dati inca lucrarea ...

Un pic de practice: Cigarette


34/42

Un pic de practice: Cigarette

smokers problem Un agent i trei fumtori

Fumtorii: Ateaptingrediente (tutun, hrtie, chibrit) Confecioneazigar Fumeaz

Agentul deine toate 3 ingredientele Un fumtor are tutun, un altul hrtie, al 3-lea chibrituri) Agentul selecteazdouingrediente (random) pe care le

dfumtorilor Doar fumtorul ce are nevoie de exact acele 2 ingrediente

trebuie sle preia Agentul nu poate semnaliza exact acelui fumtor pentru c

nu tie care fumtor e care, respectiv ingredientele sunt

random extrase


35/42

Cigarette smokers problem

var tobacco: sem := 0;paper : sem := 0;match : sem := 0;agent : sem := 1;

co Agent::do draw1 -> P(agent); V(tobacco); V(paper);[] draw2 -> P(agent); V(paper); V(match);[] draw3 -> P(agent); V(tobacco); V(match)

odocco Smoker1::

P(tobacco); P(paper); V(agent);occo Smoker2::

P(paper); P(match); V(agent);occo Smoker3::

P(tobacco); P(match); V(agent);oc

Functioneaza ???



36/42

Cigarette smokers problem -

deadlock

P(tobacco) P(paper)

P(paper)

P(match)

P(tobacco)

P(match)

OK!

DEADLOCK!


37/42

Quiz

Ganditi-va la o solutie pentru evitarea

deadlock-ului


38/42


var tobacco: sem := 0;paper : sem := 0;

match : sem := 0;agent : sem := 1;

isTobacco : bool := false;isPaper : bool := false;isMatch : bool := false;

tobaccoSem: sem := 0;paperSem : sem := 0;matchSem : sem := 0;

co Agent::do draw1 -> P(agent); V(tobacco); V(paper);

[] draw2 -> P(agent); V(paper); V(match);[] draw3 -> P(agent); V(tobacco); V(match)od

oc


39/42

Cigarette smokers problemco PusherA::P(tobacco);

P(e);if isPaper -> isPaper := false; V(matchSem);[] isMatch -> isMatch := false; V(paperSem);[] isPaper = isMatch = false -> isTobacco := true;fi

V(e);oc

co PusherB::P(match);P(e);if isPaper -> isPaper := false; V(tobaccoSem);

[] isTobacco -> isTobacco := false; V(paperSem);[] isPaper = isTobacco = false -> isMatch := true;fiV(e);

oc

co PusherC::

P(paper);P(e);if isTobacco -> isTobacco := false; V(matchSem);[] isMatch -> isMatch := false; V(tobaccoSem);[] isPaper = isMatch = false -> isPaper := true;fiV(e);

oc


40/42


co SmokerWithTobacco::P(tobaccoSem);# makeCigaretteV(agent);# smoke

occo SmokerWithPaper::

P(paperSem);# makeCigaretteV(agent);# smoke

oc

co SmokerWithMatch::P(matchSem);# makeCigaretteV(agent);# smoke

oc


41/42

Posibila solutie pentru bariera

var b: sem := 0; e : sem := 1;

nb : int := 0;co proc (k:1..n)::# enter barrierP(e);nb:=nb+1;if (nb = n)-> V(b);[] (nb > 1) -> P(b); V(b);[] (nb = 1) -> P(b);finb:=nb-1;V(e);# exit barrier

oc

# if lastprocess toenter barrier

# if first

process toenter barrier


42/42

ntrebri?

Documents

4. Semafoare. Probleme Clasice