CAPITOLO 24 I MONITOR

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1 EFFETTO DELLE PRIMITIVE - signal E wait SUI SEMAFORI CAPITOLO 24 I MONITOR I semafori sono un mezzo efficace per la gestione della mutua esclusione in ambienti con processi concorrenti, ma spesso è difficile comprendere l effetto delle primitive wait e signal all interno di un programma. Un esempio è mostrato nella soluzione non corretta del problema del produttore/consumatore con l uso ritardato dell istruzione if n=0 then waitb(ritardo) che provoca un prelievo da una cella vuota dal buffer. La soluzione corretta a tale problema ha previsto l introduzione di una nuova variabile locale m che appare nella soluzione corretta. MONITOR Nel seguito verrà presentato il monitor definito formalmente per la prima volta da Hoare nel Il MONITOR è un costrutto dei linguaggi di programmazione di più facile controllabilità. Fu introdotto all inizio in: Concurrent Pascal, poi in Pascal Plus, Modula 2 e Modula 3, da ultimo anche in c++ dove è implementato come oggetto con caratteristiche speciali. Ora è normalmente implementato in libreria. Il monitor è un costrutto dei linguaggi di programmazione che fornisce funzionalità equivalenti a quelle dei semafori ma è più facile da controllare. Inizialmente è stato implementato in vari linguaggi di programmazione quali Concurrent Pascal, Pacal Plus, Modula2, Modula3 e da ultimo anche in C++. Attualmente è normalmente implementato in libreria, questo permette di poter mettere un lock su qualunque oggetto. E usato per mettere un lock su qualunque oggetto. MONITOR con segnali (Hoare) Il monitor è un modulo software che contiene una sequenza di inizializzazione, una o più procedure e dati locali. Caratteristiche del monitor sono che le variabili sono accessibili solo dalle procedure del monitor stesso e non dall esterno, 1

2 inoltre ogni processo entra nel monitor chiamando una delle sue procedure. Queste due caratteristiche sono analoghe a quelle del software orientato agli oggetti dove un oggetto viene utilizzato chiamando un metodo dello stesso. I sistemi operativi ed i linguaggi di programmazione orientati agli oggetti possono implementare un monitor come oggetto con caratteristiche speciali. Infine nel monitor può essere in esecuzione un solo processo alla volta, ogni altro processo che lo ha chiamato è sospeso sino a quando il monitor non ritorna disponibile. Il monitor è usato per garantire la mutua esclusione permettendo l esecuzione di un solo processo alla volta. Poiché le variabili locali sono accessibili da un solo processo alla volta, le strutture dati condivise vengono protette inserendole all interno dei Ai fini della gestione della concorrenza tra processi, un monitor deve essere dotato di strumenti di sincronizzazione questi sono rappresentati da variabili di condizione accessibili solo dall interno del Le funzioni che operano sulle variabili di condizioni sono cwait(c) e csignal(c) che come si evidenzierà nel seguito sono operazioni diverse da wait e signal che si utilizzano per i semafori. Funzioni del MONITOR che operano sulle variabili di condizione - csignal (c) è usato per inviare lo sblocco ad un processo Le funzioni del monitor che operano sulle variabili di della coda dei processi in attesa che si verifichi la condizione sono csignal(c) e cwait(c). La funzione condizione c. Il processo che lo lancia invece si blocca. csignal(c) è utilizzata per sbloccare un processo presente - cwait (c) controlla se la condizione c si è verificata, se sì continua, se no il processo finisce nella coda dei processi in attesa dell evento c. nella coda dei processi sospesi sulla condizione c. Il processo che invece ha inviato csignal(c) si blocca. La funzione cwait(c) è utilizzata per controllare se la condizione c è verificata, se si il processo continua l esecuzione, se no il processo va nella coda dei processi in attesa che si verifichi l evento c. Approfondimenti su csignal e cwait - csignal(c): riattiva un processo sospeso sulla condizione c, se i sospesi sono molti ne sceglie uno; se non ce ne sono non fa niente e il segnale viene perso. - cwait (c): sospende l esecuzione del processo chiamante sulla condizione c ed il monitor diventa disponibile per gli altri processi. Questo chiarisce che cwait e csignal sono completamente diverse da signal e wait. E da evidenziare che csignal(c) sceglie uno tra i processi in coda per essere riattivati e se non ce ne sono non fa nulla ed il segnale viene perso. Con cwait(c) invece il processo chiamante è sospeso sulla condizione c e il monitor diventa disponibile per gli altri processi. MONITOR (Hoare) La figura illustra la struttura di un Come si può notare nella parte superiore è presente una sola entrata per cui un solo processo alla volta può entrare nel monitor, gli altri processi che vogliono entrare sono sospesi in attesa che si liberi il All interno del monitor sono presenti i dati locali, le variabili di condizioni, le diverse procedure e il codice di inizializzazione del Lateralmente alle componenti del monitor è possibile notare la presenza delle diverse code dei processi in attesa che si verifichino le rispettive condizioni di accesso al 2

3 Dinamica nel MONITOR (Hoare) Sebbene non sia così, come nella figura precedente si può immaginare che il monitor abbia una sola entrata che controlla in modo che un solo processo per volta sia nel Se un processo è nel monitor con una cwait (c) si sospende e finisce in coda nell area di attesa del monitor da dove con il verificarsi dell evento che fa cambiare il valore della variabile di condizione c, sarà riammesso nel Se un processo in esecuzione nel monitor rileva il cambiamento di condizione c manda un csignal(c) e notifica alla coda che c è stato il cambiamento. Come illustrato nella figura precedente il monitor ha una sola entrata che permette ad un solo processo alla volta di essere in esecuzione al suo interno. Se un processo è nel monitor, con l operazione cwait(c) viene sospeso sulla condizione c e posto nella corrispondente coda dei processi sospesi da cui con il cambiamento successivo della variabile di condizione c sarà riavviato. Se il processo in esecuzione all interno del monitor rileva un cambiamento della variabile di condizione c effettua l operazione di csignal(c) che notifica alla relativa coda dei processi sospesi su quella condizione. Produttore Consumatore con Monitor (Hoare) program produttore_consumatore monitor bufferlimitato; buffer: array [0..N-1] of char; {spazio per N elementi} nextin, nextout: integer; {puntatori al buffer} contatore: integer; {numero di elementi nel buffer} nonpieno, nonvuoto: condition; {per la sincronizzazione} procedure aggiungi (x: char); if contatore = N then cwait(nonpieno); buffer[nextin] := x; nextin := nextin +1 mod N; contatore := contatore + 1; csignal(nonvuoto); procedure togli (x: char); if contatore = 0 then cwait(nonvuoto); x := buffer[nextout]; nextout := nextout +1 mod N; contatore := contatore - 1; csignal(nonpieno); {il buffer è pieno; evita l overflow} {un elemento in più nel buffer} {sveglia i consumatori in attesa} {il buffer è pieno; evita l underflow} {un elemento in meno nel buffer} {sveglia i produttori in attesa} {monitor} nextin := 0; nextout := 0; contatore := 0 {buffer inizialmente vuoto} procedure produttore; var x: char; repeat produci(x); aggiungi(x); forever procedure consumatore; var x: char; La slide presenta la soluzione al problema del Produttore/Consumatore con buffer limitato utilizzando un E definito il monitor bufferlimitato che controlla il buffer utilizzato per contenere i caratteri. Il monitor è costituito da un array buffer di n caratteri, le variabili intere nextin nextout che puntano alle celle del buffer, un contatore intero che contiene il numero di elementi presenti nel buffer e le due variabili di condizione nonpieno e nonvuoto. La variabile nonpieno è vera quando nel buffer c è spazio per almeno un altro elemento, nonvuoto mentre è verificata quando c è almeno un elemento nel buffer. Il monitor è costituito dalle due procedure aggiungi e togli. La procedura aggiungi verifica se il buffer è pieno, in tal caso con l operazione cwait(nonpieno) viene sospesa sulla condizione nonpieno ed il monitor diventa disponibile per altri processi. In caso contrario se il buffer non è pieno viene aggiunto l elemento x nella cella vuota puntata da nextin, il contatore degli elementi presenti nel buffer viene incrementato e con csignal(nonvuoto) viene riattivato un processo sospeso sulla condizione nonvuoto. 3

4 repeat togli(x); consuma(x); forever (* programma principale *) par produttore; consumatore parend end. La procedura togli verifica se il buffer è vuoto, in tal caso con l operazione cwait(nonvuoto) viene sospesa sulla condizione nonvuoto ed il monitor diventa disponibile per altri processi. In caso contrario se il buffer non è vuoto viene tolto l elemento x dalla cella piena puntata da nextout, il contatore degli elementi presenti nel buffer viene decrementato e con csignal(nonpieno) viene riattivato un processo sospeso sulla condizione nonpieno. Il programma principale attiva le due procedure concorrenti produttore e consumatore che rispettivamente in mutua esclusione entrano nel monitor per aggiungere o consumare un elemento del buffer attivando le procedure del monitor produci e togli. OSSERVAZIONE 1 Con l uso del MONITOR un solo processo alla volta ha accesso al buffer o quello produttore che lancerà la procedura aggiungi (x: char) o quello consumatore che lancerà la procedura togli (x: char). Nel caso dell uso dei semafori il programmatore doveva occuparsi sia della mutua esclusione tra produttore e consumatore che dell accesso al buffer in modo sicuro. OSSERVAZIONE 2 Nel caso precedente di realizzazione dell algoritmo produttore e consumatore con l uso di un monitor si deve notare che il controllo del buffer è fatto nelle procedure aggiungi e togli con cwait e csignal ma bisogna stare attenti a dove inserirle. Per il modo come csignal funziona, se la stessa non fosse inserita alla fine del processo che lo lancia, quel processo sarebbe sospeso e tornerebbe tra quelli in concorrenza per entrare nel OSSERVAZIONE 3 Si noti che tutte le funzioni di sincronizzazione sono raccolte nel monitor ed è più semplice verificare le cause di un malfunzionamento come ad esempio la omissione di una primitiva o la loro collocazione impropria nel programma. Se un monitor è scritto correttamente l accesso alle risorse condivise sarà sempre corretto. L analisi dell algoritmo evidenzia come con l uso del monitor un solo processo alla volta accede al buffer ovvero o il produttore lancerà la procedura aggiungi (x) o il consumatore lancerà la procedura togli(x). Utilizzando i semafori anziché il monitor, il programmatore doveva garantire sia la mutua esclusione tra i due processi produttore e consumatore sia l accesso al buffer in modo sicuro. Bisogna osservare che l uso del monitor permette di controllare l accesso al buffer nelle procedure aggiungi e togli con cwait e csignal, nonostante ciò bisogna porre attenzione al loro inserimento. Infatti considerando il funzionamento di csignal se questa non fosse inserita alla fine del processo che la lancia, questo sarebbe inserito tra i processi sospesi e in concorrenza per entrare nel Si noti che poiché le funzioni di sincronizzazione sono inserite all interno del monitor risulta più semplice la verifica di malfunzionamenti dovuti ad esempio alla omissione di una primitiva o al suo inserimento non corretto in una posizione del programma. Inoltre se il monitor è scritto correttamente l accesso alle risorse condivise avverà sempre correttamente. 4

5 Motivazione delle code nell'area di attesa del monitor Si noti che nel programma di Hoare entrambi le primitive csignal sono messe alla fine delle procedure: - csignal (nonvuoto) alla fine di procedura aggiungi (x) char e - csignal (nonpieno) alla fine della procedura togli (x) char. Questo consente di bloccare la procedura nella apposita coda dei processi urgenti in attesa del monitor dandogli una certa precedenza poiché una parte del lavoro lo hanno già effettuato ed evitando di farlo uscire e di mandarlo in competizione con quelli che non sono ancora entrati (coda di processi entranti). Infatti, come già detto, il csignal implica che la procedura in esecuzione che la esegue, venga immediatamente sospesa e quella che è nella coda interna in attesa di quell evento viene immediatamente ammessa. Concurrent Pascal che fa uso di monitor, richiede che csignal siano inserite come ultima istruzione e se non ci sono processi in attesa di quel segnale il csignal non produce alcun effetto. Le primitive csignal(nonvuoto) e csignal(nonpieno) sono inserite rispettivamente alla fine delle procedure aggiungi e togli, questo permette di bloccare la procedura nell apposita coda dei processi urgenti in attesa del monitor visto che una parte del lavoro lo ha già effettuato. Concurrent Pascal che fa uso dei monitor, richiede che le primitive csignal siano inserite come ultima istruzione e se non ci sono altri processi in attesa di quel segnale la primitiva non produce alcun effetto. MONITOR con notifica e diffusione (Lampson/Redell) - SVANTAGGI DEL MONITOR DI (Hoare) Hoare all esecuzione di una csignal prevede l immediata sospensione della procedura che lo lancia: 1) Se il processo che lancia csignal non ha finito sono necessari due scambi di contesto uno per sospenderlo e l altro per riattivarlo quando il monitor ridiviene disponibile. 2) La schedulazione dei processi collegati ad una csignal deve essere completamente affidabile perché deve essere immediatamente avviato un processo della coda di condizione e lo schedulatore deve garantire che nessun altro processo entri nel monitor altrimenti le condizioni potrebbero essere modificate. Gli svantaggi del MONITOR di HOARE sono stati superati dall uso dei MONITOR di Lampson / Redell in cui la csignal è sostituita con cnotify. Cnotify non sospende il processo che lo lancia che invece continua, ma si limita a notificare il cambiamento alla coda e quando il MONITOR ridiventa disponibile la condizione viene riverificata. I linguaggi Mesa e Modula 3 fanno uso di monitor Lampson / Redell Frammento del Produttore Consumatore con buffer limitato e MONITOR Lampson/Redell procedure aggiungi (x: char); while contatore = N then cwait(nonpieno); {il buffer è pieno; evita l overflow} La definizione di monitor di Hoare presenta degli svantaggi. Innanzitutto se il processo che effettua la csignal non ha terminato la sua esecuzione nel monitor sono necessari due scambi di contesto, uno per sospenderlo e uno per riattivarlo quando il monitor ridiventa disponibile. Inoltre la schedulazione dei processi dovuti ad una csignal deve essere completamente affidabile, infatti quando avviene una csignal bisogna riattivare un processo dalla coda di condizione corrispondente e lo schedulatore deve garantire che nessun altro processi entri nel Tali svantaggi vengono superati con l uso del monitor di Lampson/Redell in cui la csignal è sostituita da cnotify che non sospende il processo che l ha lanciata ma notifica solo il cambiamento alla coda e quando il monitor ritorna disponibile la condizione viene riverificata. I monitor di Lampson/Redell vengono utilizzati dai linguaggi Mesa e Modula3. buffer[nextin] := x; nextin := nextin +1 mod N; contatore := contatore + 1; cnotify(nonvuoto); {un elemento in più nel buffer} {avverte i consumatori in attesa} procedure togli (x: char); while contatore = 0 then cwait(nonvuoto); {il buffer è pieno; evita l underflow} x := buffer[nextout]; nextout := nextout +1 mod N; contatore := contatore - 1; {un elemento in meno nel buffer} 5

6 cnotify(nonpieno); {avverte i produttori in attesa} La slide presenta un frammento dell algoritmo del produttore/consumatore con buffer limitato utilizzando il monitor di Lampson/Redell. Commenti sul MONITOR Lampson/Redell I comandi if sono stati sostituiti con cicli while. Quindi si effettua almeno una valutazione in più sulla variabile di condizione inoltre non ci sono vincoli su quando un processo in attesa deve essere riattivato. Un ulteriore raffinamento si può avere con un controllo sul tempo di attesa in coda dando la possibilità ad un processo di essere messo in ready indipendentemente dal verificarsi della condizione (si supponga un fallimento). Un altra facility è data dall uso della primitiva cbroadcast che mette in ready tutti i processi in attesa di una condizione. Es.: è quella usata per la gestione della memoria, ogni processo in attesa di assegnazione controlla se la memoria liberata è sufficiente per le sue esigenze. Come è possibile osservare nel frammento di codice sopra presentato, i comandi if sono stati sostituiti con i cicli while. Questo fa si che si effettui almeno una valutazione in più sulla variabile di condizione ed inoltre permette di evitare che ci siano vincoli su quando un processo in attesa deve essere riattivato. Un ulteriore miglioramento si può ottenere con un controllo sul tempo d attesa in coda dando così la possibilità ad un processo di essere messo in stato di ready indipendentemente dal verificarsi della condizione. La presenza di una notifica anziché di una riattivazione da parte di un processo permette di aggiungere la primitiva cbroadcast che mette in ready tutti i processi in attesa di una condizione. 6

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