Monitor. Introduzione. Struttura di un TDA Monitor

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1 Monitor Domenico Cotroneo Dipartimento di Informatica e Sistemistica Introduzione E stato introdotto per facilitare la programmazione strutturata di problemi in cui è necessario controllare l assegnazione di una o più risorse tra più processi concorrenti mediante apposite discipline di gestione. Struttura di un TDA Monitor Si configura come come un tipo di dato astratto, in cui le variabili membro (private), dette anche variabili locali, descrivono lo stato della risorsa controllata dal monitor; le funzioni membro pubbliche costituiscono le uniche operazioni utilizzabili dai processi per disciplinare l accesso alle variabili membro; funzioni membro private, non invocabili dall esterno.

2 Modello Concettuale Lo Lo scopo è quello di di controllare l assegnazione di di una una risorsa tra tra processi concorrenti in in accordo a determinate politiche di di gestione, secondo due due livelli di di controllo: un un solo solo processo alla alla volta abbia accesso alle alle variabili locali; una una disciplina di di scheduling che che stabilisca l ordine con con il il quale i i processi hanno accesso alla alla risorsa. Strategie di controllo (1) Al fine di garantire che un solo processo alla volta abbia accesso alle variabili locali, si impone che le funzioni di accesso al monitor vengano eseguite in modo mutuamente esclusivo; i processi che invocano una funzione di un oggetto monitor mentre un altro processo è attivo nell istanza, devono essere ritardati Strategie di controllo (2) Al fine di garantire una disciplina di scheduling che stabilisca l ordine di accesso alla risorsa 1. l ordinamento può essere ottenuto imponendo che un processo acceda alle variabili locali di un istanza del monitor solo se è soddisfatta una condizione logica che assicura l ordinamento stesso. 2. nel caso in cui ciò non si verifichi il processo deve essere sospeso, in modo da consentire ad un altro processo dia accedere all istanza

3 Strategie di controllo (2.1) La sospensione di un processo nel caso in cui la condizione non sia verificata, avviene utilizzando un nuovo tipo di variabile, detta variabile di tipo condition. var_cond x; x.wait; provoca la sospensione del processo fino a che un altro processo esegue x.signal; NB: se non vi è alcun processo in attesa sulla variabile x, la signal non ha alcun effetto Strategie di controllo (2.2) Sia P un processo sospeso su una variabile condition x e Q il processo che esegue la signal su tale variabile; P Q x.wait; x.signal; Come conseguenza della signal entrambi i processi possono, concettualmente, proseguire, violando le proprietà di un monitor! Uno dei due processi deve essere pertanto sospeso La soluzione di Hoare Tale soluzione prevede che il processo P riprenda immediatamente l esecuzione e che Q venga sospeso. x.wait; P x.signal; Q Q viene sospeso per evitare che possa modificare nuovamente la condizione di sincronizzazione. Il processo Q riprenderà la sua esecuzione quando P avrà completato la sua azione ( o si sarà sospeso), e prima comunque che qualunque altro nuovo processo entri nel monitor.

4 Realizzazione di un tipo Monitor Sono due le problematiche da risolvere: 1. Accesso in mutua esclusione alle funzioni del monitor; 2. Gestione delle politiche di sospensione e riattivazione dei processi sulle variabili condition (ci riferiremo alla soluzione di Hoare, sebbene non sia l unica proposta in letteratura) 1) Accesso in mutua esclusione alle funzioni del monitor Può essere semplicemente ottenuto associando ad ogni istanza del monitor un semaforo mutex inizializzato ad 1; la richiesta di utilizzare una procedura equivale all esecuzione di una wait(mutex) 2) Sospensione/Attivazione Processi L esigenza di garantire ai processi sospesi, non appena riattivati, la immediata ripresa della procedura interrotta, comporta la sospensione del processo che ha eseguito la signal sulla variabile condition; Viene quindi introdotto un semaforo urgent (inizializzato a 0) sul quale i processi che hanno eseguito la signal si sospendono tramite una wait(urgent); Prima di abbandonare il monitor è quindi necessario verificare che nessun processo sia in coda a tale semaforo

5 Condizione di uscita di un monitor Indicando con urgentcount un contatore (inizializzato a 0) del numero di processi sospesi sul semaforo urgent, l uscita da una funzione del monitor sarà: if urgentcount>0 signal(urgent); else signal(mutex); Realizzazione Variabili Condition CondVar -condsem=0: semaphore -condcount=0: int +wait() +signal() wait(){ condcount++; if urgentcount>0 signal(urgent); else signal(mutex); wait(condsem); condcount--; signal(){ urgentcount++; if condcount>0 { signal(condsem); wait(urgent); urgentcount--; wait(){ condcount++; signal(mutex); wait(condsem); condcount--; signal(){ if condcount>0 signal(condsem); else signal(mutex);..una soluzione più semplice (ipotesi in cui la signal sia sempre eseguita come ultima operazione della funzione)..aspetti implementativi due approcci: object-based (es linguaggio C); object-oriented (es linguaggio C++);

6 Specifica del tipo Monitor struct structmonitor {{ int intmutex; int intnum_var_cond; num_var_cond; //id //iddel del gruppo gruppo sem semassociati alle alle var.cond var.cond int intid_conds; id_conds; //array //arraydelle variabili variabili condition_count condition_count int int *cond_counts; *cond_counts; //identificativo //identificativo memoria memoria condivisa condivisa int intid_shared; id_shared; ; ; //monitor //monitor e e numero numero di di variabili variabili condition condition void voidinit_monitor init_monitor (Monitor*, (Monitor*, int, int, int int []); []); void voidenter_monitor(monitor*); void voidleave_monitor(monitor*); void voidremove_monitor(monitor*); void voidwait_condition(monitor*,int); void voidsignal_condition(monitor*,int); class classmonitor {{ private: private: int intmutex; int intnum_var_cond; num_var_cond; int intid_conds; id_conds; int int *cond_counts; *cond_counts; int intid_shared; id_shared; void voidwait_condition(int); void voidsignal_condition(int); public: public: Monitor(int, Monitor(int, int[]); int[]); virtual virtual ~Monitor(); ~Monitor(); void voidenter(); void voidleave(); ; ; Inizializzazione void voidinit_monitor (Monitor *M,int *M,intnum_var, int intinitial_values[]){ key_t key_tc_sem=ipc_private; key_t key_tc_array=ipc_private; M->num_var_cond=num_var; M->mutex=semget(c_sem,1,IPC_CREAT 0664); M->id_conds=semget(c_sem,num_var,IPC_CREAT 0664); semctl(m->mutex,0,setval,1); for for (int (inti=0;i<num_var;i++) semctl(m->id_conds,i,setval,initial_values[i]); M->id_shared=shmget(c_array,num_var*sizeof(int),IPC_CREAT 0664); M->cond_counts=reinterpret_cast< int* int* > (shmat(m->id_shared,0,0)); for for (int (inti=0;i<num_var;i++) M->cond_counts[i]=0; Wait_Condition e Signal_Condition void voidwait_condition(monitor* M,int id_var){ M->cond_counts[id_var]=M->cond_counts[id_var]+1; Signal_Sem(M->mutex,0); Wait_Sem(M->id_conds,id_var); M->cond_counts[id_var]=M->cond_counts[id_var]-1; void voidsignal_condition(monitor* M,int id_var){ if(m->cond_counts[id_var]>0){ Signal_Sem(M->id_conds,id_var); else{ Signal_Sem(M->mutex,0);

7 ..le altre funzioni void voidenter_monitor(monitor * M){ M){ Wait_Sem(M->mutex,0); void voidleave_monitor(monitor* M){ M){ Signal_Sem(M->mutex,0); void voidremove_monitor(monitor* M){ M){ semctl(m->mutex,0,ipc_rmid,0); semctl(m->id_conds,m->num_var_cond,ipc_rmid,0); shmctl(m->id_shared,ipc_rmid,0); Un esempio Si implementi il problema dei Produttori- Consumatori utilizzando il costrutto Monitor. Prod-Cons con Monitor Il numero di variabili condition necessarie è pari a due: OK_PRODUZIONE:variabile su cui si sospendono i processi produttori. OK_CONSUMO:variabile su cui si sospendono i processi consumatori. Il programma implementa quattro funzioni principali: void InizioConsumo(Monitor*):consiste di una chiamata alla funzione enter_monitor( ) e di una funzione di wait_condition sulla variabile condition OK_CONSUMO. void FineConsumo(Monitor*):il processo consumatore che invoca la funzione, libera la variabile OK_PRODUZIONE prima di lasciare il monitor invocando la funzione di libreria leave_monitor( ). void InizioProduzione(Monitor*):la funzione è praticamente una wait_condition() sulla variabile OK_PRODUZIONE. void FineProduzione(Monitor*):il processo sblocca il primo consumatore e in attesa su OK_CONSUMO prima di lasciare il monitor invocando la funzione di libreria leave_monitor( ).

8 ..il produttore void Produttore(Monitor * m, msg* mess) { InizioProduzione(m); /*********Produzione********/ msg val =. memcpy(reinterpret_cast<void*>(mess),&val,sizeof(msg)); FineProduzione(m); void InizioProduzione(Monitor * m){ enter_monitor(m); wait_condition(m,ok_produzione); void FineProduzione (Monitor * m){ signal_condition(m,ok_consumo); leave_monitor(m); il consumatore void Consumatore (Monitor * m, msg* mess) { InizioConsumo(m); /*********Consumo********/ printf("<%d> Valore CONSUMATO =<%d> \n",getpid(), *mess); FineConsumo(m); void InizioConsumo(Monitor* m){ enter_monitor(m); wait_condition(m,ok_consumo); void FineConsumo(Monitor* m){ signal_condition(m,ok_produzione); leave_monitor(m); Esercizio Problema dei lettori scrittori mediante scambio di messaggi. Si realizzi il buffer dei messaggi (risorsa condivisa) tramite un monitor.

9 Politiche di gestione delle risorse Negli esempi esaminati si è assunto che l algoritmo di gestione delle code associate alle variabili condition fosse di tipo FIFO; Vi sono tuttavia casi in cui la politica FIFO può risultare inadeguata, essendo necessario un maggior controllo sulla strategia di gestione della risorsa Es lo scheduling dei processi in attesa può essere di tipo a priorità Strategie di scheduling Da implementare nella funzione wait_condition, introducendo un parametro intero che indica la priorità del processo che si sospende Dopo l esecuzione della signal viene immediatamente ripresa l esecuzione del processo a maggior priorità Occorre comunque notare che il tipo di comportamento così definito può provocare situazioni di starvation da parte dei processi sospesi. Aspetti implementativi void init_monitor(monitor *M,int num_var,int max_p) { key_t c_sem=ipc_private; key_t c_array=ipc_private; M->NUM_COND=num_var; M->MAX_PRIORITY=max_p; M->mutex=semget(c_sem,1,IPC_CREAT 0664); int num_sem=m->num_cond*m->max_priority+1; M->id_conds=semget(c_sem, num_sem,ipc_creat 0664); semctl(m->mutex,0,setval,1); for (int i=0;i<num_sem;i++) semctl(m->id_conds,i,setval,0); M->id_shared=shmget(c_array,num_var*sizeof(int),IPC_CREAT 0664); M->cond_counts=reinterpret_cast< int* > (shmat(m->id_shared,0,0)); for (int i=0;i<num_var;i++) //inizializza il vettore delle variabili condition M->cond_counts[i]=0;

10 Aspetti implementativi void wait_condition(monitor* M,int id_var, int priority){ M->cond_counts[id_var]=M->cond_counts[id_var]+1; Signal_Sem(M->mutex,0); Wait_Sem(M->id_conds, id_var*m->max_priority+priority); M->cond_counts[id_var]=M->cond_counts[id_var]-1; //rilascio void signal_condition(monitor* M,int id_var){ bool found= false; int i=0; while ( (i<=m->max_priority) &&!found) { if (Queue_Sem(M->id_conds, id_var*m->max_priority+i)>0) { //se ci sono processi found=true; //in attesa su qualche coda... Signal_Sem(M->id_conds, id_var*m->max_priority+i ); i++; if(!found) Signal_Sem(M->mutex,0); Un esempio Si implementi il problema della gestione di un disco a teste mobili. La politica di gestione da adottare dovrà tendere a minimizzare il numero di cambiamenti di direzione del braccio del disco. Alcuni spunti per la soluzione Inizialmente il braccio del disco è posizionato sulla traccia 0 e si muove verso l interno; Quando viene fatta una rischiesta di accesso al disco e il disco è occupato, viene confrontato il numero della traccia richiesta con quello corrente: Se coincidono, la richiesta viene accodata per essere servita nella successiva inversione di movimento (per evitare attese indefinite); Se la traccia richiesta ha valore maggiore alla traccia corrente il processo viene inserito in una coda relativa alla direzione su (verso l interno) Se la traccia richiesta ha valore minore alla traccia corrente il processo viene inserito in una coda relativa alla direzione giù (verso l esterno)

11 Alcuni spunti per la soluzione Quando il processo rilascia il disco, viene servita la richiesta più prossima contenuta nella coda relativa alla direzione corrente Se la coda è vuota, viene cambiata la direzione e viene servito il processo nella coda relativa alla nuova direzione con la richiesta più prossima Le variabili del monitor comprendono: la posizione corrente del braccio (posizione); la direzione di movimento (direzione); lo stato del disco (occupato) Sono definite due variabili condition per la sospensione dei processi: direzione_su direzione_giù

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