Quote of the day. (Meditate, gente, meditate...)

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1 Lezione T26 Deadlock Sistemi Operativi (9 CFU), CdL Informatica, A. A. 2013/2014 Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche Università di Modena e Reggio Emilia 1

2 Quote of the day (Meditate, gente, meditate...) When two trains approach each other at a crossing, both shall come to a full stop and neither shall start up again until the other has gone. Decreto approvato dalla legislatura del Kansas 2

3 INTRODUZIONE 3

4 Il concetto di risorsa (Fornisce servizi agli utenti, che se la contendono) Un SO multiprogrammato gestisce un insieme di risorse hardware/software. Hardware: CPU, memoria, disco, rete. Software: descrittori vari, strutture condivise. I processi competono per l'assegnazione di un sottoinsieme finito di tali risorse. 4

5 Classificazione delle risorse (Una risorsa di un certo tipo Una classe con N istanze) Dal punto di vista modellistico, si preferisce raggruppare tutte le risorse simili in una classe. Esempio: un calcolatore ha 1GB di RAM. Non ha senso dire: il calcolatore ha 1G risorse di 1 byte l'una. Ha senso dire: esiste una singola risorsa (la memoria centrale) con 1G istanze disponibili. Tipicamente, un processo non è interessato ad una specifica istanza della risorsa. Va bene una qualunque delle istanze disponibili. 5

6 Proprietà delle risorse (Influenzano i meccanismi di prenotazione e rilascio) Il comportamento delle risorse è caratterizzato caratterizzato da alcune proprietà. Risorsa riutilizzabile vs. non riutilizzabile. Risorsa con assegnazione statica vs. dinamica. Risorsa con accesso seriale vs. concorrente. Risorsa prerilasciabile vs. non prerilasciabile. 6

7 Risorse riutilizzabili e non riutilizzabili (Riutilizzabili Sono allocabili e rilasciabili a più utenti) Alcune risorse sono riutilizzabili. Non sono distrutte dopo il loro utilizzo. Il SO determina la loro assegnazione ai processi. Esempi: CPU, canali I/O, memoria centrale. Altre risorse sono non riutilizzabili. Sono distrutte dopo il loro utilizzo. Possono essere assegnate da processo a processo. Esempi: interruzioni, segnali, messaggi. 7

8 Risorse assegnate staticamente e dinamicamente (Assegnazione dinamica Maggiormente soggetta all'accesso concorrente) Alcune risorse sono assegnate staticamente. Al momento della creazione di un processo. L'assegnazione rimane valida fino alla terminazione del processo. Esempi: descrittori di processo. Alcune risorse sono assegnate dinamicamente. Dal processo durante la sua esecuzione. Sono rilasciate dopo l'uso. Esempi: periferiche I/O. 8

9 Risorse con accesso seriale e concorrente (Accesso concorrente Va protetto con i lock) Alcune risorse sono accessibili serialmente. Solo da un processo alla volta (mutua esclusione). Esempi: CPU, sezioni critiche. Alcune risorse sono accessibili concorrentemente. Da più processi simultaneamente. Esempi: file in sola lettura. 9

10 Risorse prerilasciabili e non prerilasciabili (Risorse non prerilasciabili Rischio di deadlock) Alcune risorse sono prerilasciabili. Il SO le può sottrarre ad un processo prima che quest'ultimo le abbia rilasciate. Il processo che subisce il prerilascio si sospende. La risorsa prerilasciata sarà restituita successivamente al processo. Esempi: CPU, pagine di memoria (swap). Altre risorse non sono prerilasciabili. Il SO non le può sottrarle in anticipo al processo. 10

11 Modello di accesso e rilascio (Quello classico: lock, uso, unlock) Su richiesta di un processo, viene assegnata una qualunque istanza della risorsa. Scenario di uso della risorsa. Richiesta: se non è disponibile una istanza della risorsa, il processo attende fino a che non se ne liberi almeno una. Uso: il processo opera sulla risorsa. Rilascio: il processo rilascia la risorsa, qualora essa sia riutilizzabile. 11

12 Tipologie delle richieste (Singola, multipla, bloccante, non bloccante) Richiesta singola: richiesta di un'unica istanza di un'unica classe di risorsa. Caso standard. Richiesta multipla: richiesta di più istanze di più classi di risorse. Deve essere soddisfatta integralmente. Richiesta bloccante: il processo richiedente si sospende se non ottiene immediatamente l'assegnazione. Richiesta non bloccante: si notifica al processo richiedente la mancata assegnazione della risorsa, senza provocarne la sospensione. 12

13 Definizione di deadlock (Semplice e chiara) Un insieme di processi è in deadlock (morsa letale) se si verificano le seguenti condizioni. Ciascun processo è in attesa di un evento ben preciso. L'unico processo in grado di scatenare l'evento fa parte dell'insieme. Qui, l'evento è il rilascio di una risorsa posseduta da uno dei processi nell'insieme. Nessuno dei processi è in grado di eseguire, rilasciare risorse, risvegliarsi. STALLO. 13

14 Esempio di stallo (Eloquente) Nessun autobus può completare l attraversamento. Ciascun autobus attende che un altro attraversi e liberi l incrocio. Tutti gli autobus sono in attesa di un evento che non può mai verificarsi. 14

15 Condizioni necessarie di Coffmann (Meno chiare) Condizioni necessarie per la presenza di deadlock (1971). Mutua esclusione: almeno una delle risorse deve essere di tipo seriale. Possesso e attesa: le richieste sono di tipo bloccante, e un processo che ha già ottenuto risorse può chiederne ancora. Impossibilità di prerilascio: le risorse coinvolte non sono prerilasciabili. 15

16 Condizioni necessarie di Coffmann (Meno chiare) Condizioni necessarie per la presenza di deadlock (1971). Attesa circolare: esiste un insieme di processi P 0, P 1,...,P n } in cui P 0 attende una risorsa posseduta da P 1. P 1 attende una risorsa posseduta da P 2. P n attende una risorsa posseduta da P 0. 16

17 Grafo di allocazione di Holt (Modella le prenotazioni e le acquisizioni di risorse) Grafo orientato e bipartito modellante le relazioni fra processi e risorse. Grafo orientato: gli archi hanno una direzione. Grafo bipartito: i nodi sono suddivisi in due sottoinsiemi, e non esistono archi colleganti nodi dello stesso sottoinsieme. I due sottoinsiemi sono risorse e processi. Gli archi sono di due tipologie. Risorsa processo: la risorsa è associata al processo. Processo risorsa: il processo ha richiesto la risorsa. 17

18 Grafo di allocazione di Holt (Modella le prenotazioni e le acquisizioni di risorse) Formalmente: Set vertici V = P U R. P={P 0, P 1,...,P n } (processi). R={R 0, R 1,...,R k } (classi di risorse). Set archi E. Arco di richiesta: P i R j se un processo P i ha richiesto un'istanza di risorsa R j. Arco di assegnazione: R j P i se un'istanza di risorsa R j è stata assegnata al processo P i. 18

19 Grafo di allocazione di Holt (Rappresentazione grafica di processi, risorse, richieste, assegnazioni) R Risorsa riutilizzabile R Risorsa non riutilizzabile Istanza di una data risorsa P Processo Risorsa assegnata Richiesta pendente Risorsa che può essere creata da 19

20 Grafo di allocazione di Holt (Grafi di esempio) Evoluzione per stati successivi Stato j Stato j+1 R 1 R 3 distrutta P 2 ottiene R 1 R 1 R 2 P 1 P 2 R 2 P 1 P 2 R 3 R 3 20

21 Strategie di gestione del deadlock (Ostrich algorithm, deadlock detection and recovery) Ostrich algorithm. Si ignora del tutto il problema. Deadlock detection and recovery. Si fa evolvere il sistema per stati successivi che possono condurre al deadlock. Si rileva il deadlock e lo si rimuove. 21

22 Strategie di gestione del deadlock (Deadlock avoidance, deadlock prevention) Deadlock avoidance. Si impedisce al sistema di evolvere verso una condizione di deadlock. Il deadlock non può mai presentarsi. Deadlock prevention. Si invalida almeno una delle quattro condizioni necessarie. 22

23 IGNORARE IL DEADLOCK 23

24 Ostrich algorithm (Ignorare il problema, nella speranza che non si presenti) Assicurare l'assenza di deadlock impone costi molto alti in termini di prestazioni e funzionalità. Tali costi sono necessari in alcuni contesti, ma insopportabili in altri. Si considera il rapporto costi/benefici: se la probabilità di ottenere un deadlock è bassa, il costo associato non si giustifica. Approccio adottato dalla maggioranza dei SO (UNIX, Windows): ignorare il problema. L'utente preferisce qualche stallo occasionale (da risolvere a mano ), piuttosto che restrizioni eccessive. 24

25 RILEVARE IL DEADLOCK 25

26 Deadlock detection (Rilevare il deadlock) Si mantiene costantemente aggiornato il grafo di allocazione risorse. Si registrano le richieste di risorse da parte dei processi. Si registrano le assegnazioni di processi a risorse. Si usa un algoritmo di riconoscimento di deadlock sul grafo di allocazione risorse ogniqualvolta esso cambia. Problema: come si riconosce uno stato di deadlock? 26

27 Riconoscimento con una sola istanza (Ipotesi di Coffman più singola istanza Deadlock Ciclo nel grafo di Holt) Nel caso più semplice, ciascuna classe di risorse ha una sola istanza. Teorema: se le risorse sono accedute in mutua esclusione con richieste bloccanti, sono seriali (singola istanza) e non sono prerilasciabili, allora uno stato è di deadlock se e solo se il grafo di allocazione contiene un ciclo. 27

28 Riconoscimento con una sola istanza (Ipotesi di Coffman più singola istanza Deadlock Ciclo nel grafo di Holt) Quindi, nel caso di una sola istanza per classe di risorsa, al SO basta mantenere aggiornato il grafo di allocazione e controllare, periodicamente, la presenza di cicli in tale grafo. Strategia naive: ricerca depth first con marcatura dei nodi. Se si incontra un nodo già marcato, c'è un ciclo. Nel caso di classi di risorse con singola istanza, le condizioni di Coffman da necessarie diventano necessarie e sufficienti. 28

29 Riconoscimento con più istanze (Non vale più il teorema) La presenza di un ciclo nel grafo di allocazione non è più condizione sufficiente per la presenza di un deadlock. R 1 Ciclo Deadlock R 1 Ciclo NO Deadlock P 1 P 2 P 3 P 1 P 2 P 3 R 2 Non c'è modo per cui R 1 possa liberare una istanza da dare a P 1 (sbloccando, di fatto, il deadlock). R 2 Quando P 3 finisce di usare R 1, la si assegna a P1, rompendo di fatto il ciclo. 29

30 Riconoscimento con più istanze (Il concetto di riducibilità permette di stabilire se l'intreccio si scioglie o no) Un grafo di allocazione è detto riducibile se esiste almeno un nodo processo con soli archi entranti. Significato: il processo ha terminato di richiedere risorse, e le sta solo possedendo. Il processo di riduzione consiste nell'eliminare tutti gli archi di un siffatto nodo, riassegnando le istanze liberate ad altri processi. Un grafo di allocazione è completamente riducibile se esiste una sequenza di riduzioni tale da eliminare tutti gli archi del grafo. 30

31 Motivazioni (Del concetto di riducibilità) Un nodo con soli archi entranti rappresenta un processo che ha ottenuto tutte le istanze di risorse che voleva. Tale processo, prima o dopo, rilascerà le istanze prenotate. Tale processo non può, per definizione, essere responsabile di un deadlock (non fa parte di un ciclo). Togliendo gli archi al processo, si simula la situazione immediatamente successiva al rilascio. Si vuole capire se le istanze rilasciate sono sufficienti a rimuovere un eventuale deadlock. 31

32 Riduzione Riconoscimento con più istanze (Esempio della riduzione) R 1 R 1 Riduzione P 1 P 2 P 1 P 2 R 2 R 2 Nodo processo con soli archi entranti; si rimuovono gli archi. 32

33 Riconoscimento più istanze (Ipotesi di Coffman più multiple istanze Deadlock Incompleta riducibilità) Teorema: se le risorse sono accedute in mutua esclusione con richieste bloccanti, sono seriali (multipla istanza) e non sono prerilasciabili, allora uno stato non è di deadlock se e solo se il grafo di allocazione è completamente riducibile. 33

34 Riconoscimento più istanze (Ipotesi di Coffman più multiple istanze Deadlock Incompleta riducibilità) Quindi, nel caso in cui ho più istanze per classe di risorsa, il SO: mantiene aggiornato il grafo di allocazione. calcola le riduzioni. scopre se il grafo è completamente riducibile. deduce la non presenza di un deadlock. 34

35 Esempio (C'è deadlock?) P 1 P 3 R 1 R 2 P 2 P 4 R 3 35

36 Esempio (C'è deadlock?) P 1 P 3 R 1 R 2 Si riduce P 1. Si assegna l'istanza di risorsa liberata a P 2. P 2 P 4 R 3 36

37 Esempio (C'è deadlock?) P 1 P 3 R 1 R 2 Si riduce P 2. Si assegnano le istanze di risorse liberate a P 3 e P 4. P 2 P 4 R 3 37

38 Esempio (C'è deadlock?) P 1 P 3 R 1 R 2 Si riduce P 3. P 2 P 4 R 3 38

39 Esempio (C'è deadlock?) P 1 P 3 R 1 R 2 Si riduce P 4. Il grafo è completamente riducibile non c'è il deadlock. P 2 P 4 R 3 39

40 Riconoscimento con richieste singole (Il concetto di annodamento permette di stabilire se l'intreccio si scioglie o no) L'ultimo caso degno di menzione è quello in cui un processo non può mai richiedere più di una risorsa alla volta. In tal caso, si usa la nozione di knot (annodamento) di un grafo. Dato un nodo n di un grafo orientato, l'insieme dei nodi raggiungibili da n viene detto insieme di raggiungibilità R(n). Un knot del grafo è il massimo sottoinsieme non banale di nodi M tale che, n M, R(n)=M. Partendo da un qualunque nodo di M, si possono raggiungere tutti i nodi di M e nessun altro all'infuori di 40 esso.

41 Riconoscimento con richieste singole (Esempio di grafo con e senza knot) a a b c b c d d {a, c, d} non è un nodo {b, c, d} è un nodo 41

42 Riconoscimento con richieste singole (Ipotesi di Coffman più multiple istanze Deadlock Esiste un knot nel grafo) Teorema: se le risorse sono accedute in mutua esclusione con richieste bloccanti e singole, sono seriali e non sono prerilasciabili, allora uno stato è di deadlock se e solo se esiste un knot nel grafo di allocazione. 42

43 Riconoscimento con richieste singole (Ipotesi di Coffman più multiple istanze Deadlock Esiste un knot nel grafo) In definitiva, se le richieste sono sempre singole, il SO deve: mantenere aggiornato il grafo di allocazione. controllare periodicamente la presenza di un knot. decidere della presenza di un deadlock. 43

44 Uso degli algoritmi di detection (Quando si usano?) Ad ogni richiesta di risorsa da parte di un processo. Capacità di determinare la richiesta e, dunque, il processo, che causa il deadlock. Costo molto elevato. Capacità di intervento tempestivo (non degrada eccessivamente l'utilizzo delle risorse). 44

45 Uso degli algoritmi di detection (Quando si usano?) Su base periodica. Incapacità di determinare la richiesta e, dunque, il processo, che causa il deadlock. Costo ridotto. Ridotta capacità di intervento tempestivo (maggiore degradazione dell'utilizzo delle risorse). 45

46 Deadlock recovery (Quando si applica?) Terminazione del processo. Approccio non incrementale: si terminano tutti i processi coinvolti nel deadlock. Approccio incrementale: si terminano i processi coinvolti nel deadlock uno alla volta, fino alla risoluzione del deadlock. Criteri di scelta: priorità, tempo di calcolo, tipo di risorse occupate (per alcune il rilascio potrebbe essere più semplice di altre). 46

47 Deadlock recovery (Quando si applica?) Prelazione. Deassegnazione di risorse ad un processo coinvolto nel deadlock. Occorre selezionare un processo vittima e cercare di impedire il fenomeno di starvation fra processi. Checkpoint/Rollback. Lo stato dei processi viene periodicamente salvato su disco (checkpoint). In caso di deadlock, si ripristina (rollback) uno o più processi ad uno stato precedente, fino a quando il deadlock non scompare. 47

48 Deadlock recovery: considerazioni (Non è sempre così semplice ripristinare il sistema dopo un deadlock) Terminare processi può essere costoso. Tali processi possono essere stati eseguiti per molto tempo (long-lived). Se terminati, dovranno ripartire da capo. Terminare processi può lasciare le risorse in uno stato inconsistente. Se un processo viene terminato nel bel mezzo di una sezione critica. Operare una prelazione: non sempre è possibile. può richiedere interventi manuali (ad esempio: una stampante). 48

49 PREVENIRE IL DEADLOCK 49

50 Deadlock prevention (Prevenzione del deadlock; si annulla almeno una condizione di Coffman) Se sono verificate tutte le condizioni necessarie, c'è rischio di deadlock. Se si invalida almeno una condizione necessaria, il deadlock non può verificarsi. 50

51 Rimozione della mutua esclusione (Non sempre fattibile) Si permette la condivisione delle risorse. Ad esempio: spool di stampa. Tutti i processi credono di usare la stampante contemporaneamente. Problemi. Lo spooling non è sempre applicabile (ad esempio, non lo ai descrittori di processo). Si sposta il problema verso altre risorse (ad esempio, il disco nel caso di spool di stampa). Cosa succede se due processi che vogliono stampare due documenti esauriscono lo spazio su disco? 51

52 Rimozione di possesso e attesa (Si riduce l'efficienza del programma) Si deve garantire che, quando un processo richiede una risorsa, non ne possieda già altre. Un processo richiede tutte le risorse che gli servono all'inizio della computazione. Non sempre l'insieme delle richieste è noto fin dall'inizio. Si riduce il parallelismo. Un processo richiede una risorsa solo se non ne possiede nessuna. Bassa utilizzazione delle risorse. Starvation. 52

53 Rimozione dell'impossibilità di prelazione (Non sempre è applicabile) Se il processo possiede risorse e ne richiede un'altra, gli si fanno rilasciare tutte le risorse. Il processo attenderà anche le risorse che possedeva prima del rilascio. Quando un processo richiede risorse, si verifica la loro disponibilità. Se sono disponibili, vengono assegnate. Se non sono disponibili, si verifica se sono assegnate ad un processo che attende altre risorse. Se il processo attende altre risorse, gli si sottraggono quelle richieste. Questo protocollo non sempre è applicabile (ad es., 53 stampanti, nastri).

54 Rimozione dell'attesa circolare (Si riduce l'efficienza del programma) Si impongono: un ordinamento totale all'insieme di tutti i tipi di risorse. un ordinamento crescente di numerazione alle risorse richieste da ciascun processo. Ogni processo può richiedere risorse solo in ordine crescente di numerazione. P n non può più attendere P 0. Altamente inefficiente. 54

55 AGGIRARE IL DEADLOCK 55

56 Deadlock avoidance (Si impedisce che il sistema arrivi ad uno stato di deadlock) Prima di assegnare una risorsa ad un processo, si controlla se l'operazione può portare al pericolo di deadlock. In tal caso, l'operazione viene ritardata. I processi dichiarano l'ordine di prenotazione delle risorse. 56

57 A cosa serve la deadlock avoidance (E cosa deve fare il SO per implementarla) Conoscendo la sequenza completa di richieste e rilascio, si sa per ogni processo se esso deve attendere oppure no. Per stabilire se una richiesta possa essere soddisfatta o si debba attendere per evitare un deadlock, il SO deve: esaminare le risorse attualmente disponibili. esaminare le risorse attualmente assegnate ad ogni processo. esaminare le richieste ed i rilasci futuri di ciascun 57 processo.

58 Stato sicuro e sequenza sicura (Sicuro non può progredire verso un deadlock) Stato sicuro: uno stato del sistema si dice sicuro se si possono assegnare risorse a ciascun processo in un qualunque ordine, senza il verificarsi di un deadlock. Sequenza sicura: una sequenza di processi (P 1, P 2,..., P n ) è detta sicura se, per ogni P i, le risorse di cui P i necessita sono libere oppure in possesso di processi P j, j<i. 58

59 Deadlock avoidance e stati sicuri (Stato sicuro nessun rischio di deadlock; Stato non sicuro potrebbe esserci) Uno stato non sicuro non è uno stato di deadlock. Uno stato di deadlock è uno stato non sicuro. Dunque: uno stato non sicuro può condurre ad uno stallo. Tipicamente, attraverso una sfortunata serie di prenotazioni. 59

60 Algoritmi di deadlock avoidance (Partono da uno stato sicuro e mantengono il sistema in stati sicuri) Il sistema è in uno stato sicuro se esiste almeno una sequenza sicura. Algoritmi per evitare deadlock: partono da uno stato sicuro. mantengono il sistema in stati sicuri, applicando delle scelte ad ogni richiesta di risorsa. 60

61 Suddivisione degli stati (Sicuri, non sicuri, deadlock) Diagramma di Venn dei possibili stati del sistema. Stati di deadlock Stati non sicuri Stati sicuri 61

62 Grafo di allocazione con archi di reclamo (Modellano le future allocazioni Dicono se uno stato è sicuro o no) Algoritmo con grafo di allocazione. Si utilizza un nuovo tipo di arco nel grafo di allocazione delle risorse. Arco di reclamo P i R j : P i può richiedere R j in un qualsiasi istante futuro. Quando P i richiede R j, l'arco di reclamo diventa un arco di richiesta. Quando P i ottiene R j, l'arco di richiesta diventa un arco di assegnazione. Quando P i rilascia R j, l'arco di assegnazione diventa un arco di reclamo. 62

63 Alcune osservazioni (Sul costo computazionale) Gli archi di reclamo devono essere inseriti all'attivazione del processo (necessità di conoscere le risorse di cui il processo può far richiesta). Per verificare la possibilità di trasformare gli archi di reclamo in archi di richiesta, è necessario visitare il grafo di allocazione per ogni richiesta di risorsa. Costo: O(n2) nel numero di processi. 63

64 Grafo di allocazione con archi di reclamo (Uno schema aggiornato) R Risorsa riutilizzabile R Risorsa non riutilizzabile Istanza di una data risorsa P Processo Risorsa assegnata Arco di reclamo Richiesta pendente Risorsa che può essere creata da 64

65 Grafo di allocazione con archi di reclamo (Un esempio) R 1 P 1 P 2 R 2 Sia P 1 che P 2 intendono, durante la loro esecuzione, utilizzare R 2. 65

66 Deadlock avoidance (Ipotesi di Coffman più arco di reclamo Deadlock Ciclo nel grafo) Teorema: nell'ipotesi che P i R j, se le risorse sono accedute in mutua esclusione con richieste bloccanti, sono seriali e non sono prerilasciabili: il sistema è in uno stato sicuro se e solo se la conversione dell'arco di richiesta P i R j in un arco di assegnazione R j P i non introduce un ciclo nel grafo di allocazione delle risorse con archi di reclamo. Altrimenti, il sistema è in uno stato non sicuro. 66