I THREAD O PROCESSI LEGGERI Generalità

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1 I THREAD O PROCESSI LEGGERI Generalità Thread: segmento di codice (funzione) Ogni processo ha un proprio SPAZIO DI INDIRIZZAMENTO (area di memoria) Tutti i thread genereti dallo stesso processo condividono i dati, quindi l'area di memoria del processo a cui appartengono. Multithreading Un unico processore può essere condiviso tra parecchi thread utilizzando un algoritmo di scheduling per determinare quando interrompere l'evoluzione di un thread e sevirne un altro. scheduling = mettere in lista, pianificare CONTEXT SWITCH (Cambio di contesto) Quando la CPU blocca l'esecuzione di un thread (thtread 1) per mandarne un altro in esecuzione (thtread 2), deve 1. salvare lo stato del thtread 1, così quando lo va a rieseguire può partire da dove lo aveva lasciato. 2. recuperare lo stato del thtread 2 Il multithreading è vantaggioso rispetto al multi processing in termini di context switch. Un segmento di codice è thread-safe se garantisce che nessun thread può accedere a dati durante il loro aggiornamento. Tutti i thread generati dallo stesso processo usano gli stessi dati. PROCESSI THREAD MS-DOS 1 1 UNIX + 1 JVM 1 + LINUX + + WINDOWS XP + + SOLARIS + +

2 PORTABILITA' SE IL THREAD SI SOSPENDE, SI SOSPENDE ANCHE IL PROCESSO PADRE E TUTTI GLI ALTRI THREAD FIGLI SFRUTTA PIU' PROCESSORI THREAD IMPLEMENTATI DA LIBRERIE APPOSITE: USER LEVEL SI' SI' NO S.O.: KERNEL LEVEL NO NO SI' ALL'INIZIO DAL S.O. POI A LIVELLO UTENTE: MISTA (SOLARIS) NO NO SI' Utilizzo dei thread Esempio 1: Word Input Reimpagninazione Controllo ortografico Sillabazione Usano sempre lo stesso testo (dati) che non va quindi ricaricato. Esempio 2: Excel Ricalcolo automatico Input

3 ELABORAZIONE SEQUENZIALE E CONCORRENTE Elaborazione sequenziale: esecuzione di un programma con un ordinamento totale delle azioni Elaborazione cocncorrente: esecuzione di un programma con un ordinamento parziale delle azioni, più azioni possono essere parallele tra loro, cioè possono essere eseguite contemporaneamente. Esempio: il problema da risolvere è quello di valutare una espressione matematica: (2*6)+(1+4)*(5-2)

4 Processi non sequenziali 1 indipendenti L'evoluzione di un processo non influenza quella dell'altro Processi 2 interagenti 1 2 totalmente ignari In competizione su una risorsa. indirettamente a conoscenza uno dell'altro In cooperazione (scambio dati). Il S.O. Gestisce la loro sincronizzazione. Il S.O. Gestisce la loro sincronizzazione. Area di memoria condivisa 3 direttamente a conoscenza uno dell'altro In cooperazione (scambio dati). Si possono scambiare messaggi espliciti. Send(destinatario,messaggio) Receive(mittente, destinatario

5 LA PROGRAMMAZIONE CONCORRENTE Alcuni linguaggi di programmazione permettono di implementare la programmazione concorrente. Il programmatore deve individuare le attività parallelizzabili In java esistono le istruzioni: fork (biforcazione) e join (riunione) e cobegin (inizio insieme) e coend (fine insieme). Cooperare (operare insieme)

6 Fork, join Sisntassi costrutto. Esempio: z=(3-2)*(5+4)

7 cobegin, coend Sisntassi costrutto

8 COMUNICAZIONE TRA PROCESSI Modello ad ambiente globale (memoria comune) risorse 1 2 dedicate Visibili da un solo processo alla volta. Gestore S.O. condivise Visibili da più processi contemporaneamente. Gestore: programmatore Risorse allocate 1 Staticamente prima che il programma va in esecuzione. Gestore: programmatore 2 dinamicamente programmatore quando il programma va in esecuzione. Gestore: S.O. S.O. Programmatore e S.O. Il gestore deve: 1. mantenere aggiornato lo stato di allocazione della risorsa 2. fornire i meccanismi ai processi per 1. accedervi, 2. prenderne possesso, 3. operare su du essa, 4. liberarla 3. definire a quale processo e per quanto tempo assenare la risorsa

9 Modello a scambio di messaggi (non esiste una memoria condivisa) 1 Asincrona: il mittente non rimane in attesa di una risposta da parte del destinatario 2 Sincrona: mittente e destinatario devono essere pronti a parlarsi, devono sincronizzarsi a stretto: mittente messsaggio destinatario b esteso: mittente messsaggio destinatario destinatario riscontro mittente

10 LA SINCRONIZZAZIONE TRA PROCESSI E' più complesso scrivere programmi concorrenti rispetto a programmi sequenziali in quanto non basta essere sicuri della correttezza dei singoli moduli ma è necessario garantire il loro corretto funzionamento per ogni possibile combinazione di interazioni che questi possono avere. Esempio concettuale dove possiamo comprendere gli effetti disastrosi che possono essere generati da errori dipendenti dal tempo o dalla errata sincronizzazione.

11 Per evitare errori dipendenti dal tempo bisogna rispettare 1. condizioni di Bernstein 2. regola di mutua esclusione (proprietà safety) 3. proprietà fairness (correttezza) 4. proprietà liveness (sopravvivenza)

12 1 condizioni di Bernstein Concetti di dominio e rango Verificare se le condizioni di Bernstein sono verificate nei 3 esempi sotto riportati

13 2 regola di mutua esclusione Esempio ultimo = ultimo vet_dati[ultimo] = Scrive un nuovo dato nella prima posizione disponibile letto = vet_dati[ultimo] vet_dati[ultimo] = ultimo = ultimo legge l'ultimo dato inserito e lo cancella ultimo = ultimo letto = vet_dati[ultimo] vet_dati[ultimo] = ultimo = ultimo vet_dati[ultimo] = Fa cose diverse I processi non devono interferire tra di loro nell'accesso alle risorse condivise.

14 3 proprietà fairness (correttezza) Garantisce che tutti i processi prima o poi portino a compimento il loro lavoro. Cioè evita la Starvation (blocco individuale). Si verifica quando un processo rimane in attesa di un evento che non accadrà mai. 4 proprietà liveness (sopravvivenza) Garantisce che un processo non aspetti indeterminatamente che una risorsa venga rilasciata. Cioè evita il Deadlock (blocco multiplo). Si verifica a causa di condizioni cicliche. Esempio concettuale Si può verificare se 4 automezzi giungono contemporaneamente da ogni strada all'incrocio e tutti gli autisti si comportano in maniera diligente, cioè danno la precedenza a destra, come previsto dal regolamento della strada, gli automezzi rimangono bloccati senza possibilità di soluzione.

15 SINCRONIZZAZIONE TRA PROCESSI: SEMAFORI Semafori di Dijkstra I processi utilizzano due primitive P(S) e V(S) che permettono la soluzione di qualsiasi problema di interazione fra processi. P proberen testare V verhogen aumentare S semaforo numero intero non negativo Un processo che vuole accedere a una risorsa condivisa esegue la primitiva P(S) Quando il processo ha terminato di utilizzare la risorsa condivisa esegue la primitiva V(S)

16 Esempio Si consideri un array da 2 celle, ciascuna di esse destinata a contenere una variabile da condividere, trattasi quindi di una risorsa condivisibile con molteplicità pari a 2. Inizialmente tutte le celle sono vuote, quindi S=2. Se un processo P1 vuole utilizzare una cella, esegue la funzione P: controlla che S = 0 poiché S=2 accede alla risorsa pone S=1 Se un processo P2 vuole utilizzare una cella, esegue la funzione P: controlla che S = 0 poiché S=1 accede alla risorsa pone S=0 Se un processo P3 vuole utilizzare una cella, esegue la funzione P: controlla che S = 0 poiché S=0 non accede alla risorsa viene posto nella coda di attesa Se nel frattempo P1 ha terminato di utilizzare la risorsa, esegue la funzione V: controlla se è presente un processo in attesa poiché trova P3 nella coda pone P3 nello stato di pronto pone S=1 A sua volta P3 esegue la funzione P controlla che S = 0 poiché S=1 accede alla risorsa pone S=0 e così via

17 Le funzioni P e V devono essere indivisibili, la qualcosa si realizza introducendo le funzioni di Lock e unlock che servono per disabilitare e abilitare gli interrupt

18 APPLICAZIONE DEI SEMAFORI Mutua esclusione Esempio