Simulazione dell esecuzione di processi su architettura multiprocessore

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1 Simulazione dell esecuzione di processi su architettura multiprocessore Progetto di Sistemi per l Elaborazione delle Informazioni A cura di: Bernardino Frola

2 Sommario Introduzione Struttura Comportamento Scheduling Stallo Realizzazione Bernardino Frola 2

3 Introduzione Lo scopo del progetto è simulare l esecuzione di più processi su piattaforma multiprocessore Ogni processo è composto da più thread, tracce di esecuzione L architettura del sistema simulato è di tipo MIMD In particolare SMP: multiprocessore simmetrico Bernardino Frola 3

4 Introduzione: caratteristiche L architettura SMP implica Esecuzione di processi e thread in modo concorrente Schedulazione distribuita Sincronizzazione dei componenti condivisi Adattabilità e affidabilità del sistema, nonché tolleranza ai guasti Bernardino Frola 4

5 Introduzione: caratteristiche La simulazione comprende inoltre Richiesta, utilizzo e rilascio di risorse Le risorse possono essere bloccate, i processi possono andare in stallo Semplice gestione della memoria principale I processi sono allocati, la memoria fornisce le istruzioni da eseguire Bernardino Frola 5

6 Struttura: moduli principali Alla base del sistema sono presenti dei moduli che realizzano la simulazione I principali sono CPU, Process, Thread Le CPU sono il cuore del sistema Hanno uno stato: Inactive, Waiting, Running Ed una cache Per avvantaggiare l esecuzione ripetuta dello stesso thread Bernardino Frola 6

7 Struttura: moduli principali Un processo è costituito da una serie ristretta di istruzioni, con un tipo: CPU BR (Block Resource) RES UR (Unblock Resource) GT (Go To) e da una serie di thread Con uno stato waiting oppure ready Bernardino Frola 7

8 Struttura: altri moduli Scheduler e CPUScheduler per la scelta dei thread da eseguire Ogni CPU possiede uno scheduler dedicato: CPUScheduler Memory Gestisce l accesso alle istruzione dei processi Resource Possono avere più istanze allocabili Bernardino Frola 8

9 Struttura: GUI e SystemState Altri moduli gestiscono la GUI e l interfacciamento con il sistema simulato GUI SystemState Sistema simulato CPU, Process, Thread Scheduler, CPUScheduler Memory, Resource SystemState rappresenta lo stato del sistema Interpellato dalla GUI per rappresentare graficamente la simulazione Bernardino Frola 9

10 Struttura: GUI e SystemState (2) La GUI si aggiorna periodicamente In modo trasparente al sistema simulato In modo concorrente SystemState ha anche altri compiti Fornisce un supporto centralizzato per l assegnazione degli identificativi di CPU e processi Bernardino Frola 10

11 Comportamento: lettura istruzione La CPU, per prima cosa, ottiene il prossimo thread pronto dallo scheduler Poi legge l istruzione da eseguire 1 getnextready() *Thread CPUScheduler CPU 2 getnextistruction(thread) *Istruction Memory Bernardino Frola 11

12 Comportamento: i tipi di istruzione In base al tipo dell istruzione viene eseguita una specifica operazione I casi più semplici: CPU, RES, UR Di che tipo? UR CPU RES Simula attesa esecuzione Thread in attesa Incrementa #istanze Sblocca risorsa Shifta coda Simula attesa risorsa Passa al prossimo ciclo Thread pronto Bernardino Frola 12

13 Comportamento: i tipi di istruzione L istruzione BR è leggermente più complessa Di che tipo? Tutte le istanze allocate? BR Risorsa bloccata? Decrementa #istanze Blocca risorsa SI NO Thread in attesa della risorsa Simula attesa risorsa Passa al prossimo ciclo Thread pronto Bernardino Frola 13

14 Comportamento: da notare che Se la CPU ottiene un istruzione nulla rimane in attesa per un po Le risorse possono avere più istanze Il blocco si riferisce alle istanze Una risorsa è effettivamente bloccata quando sono esaurite tutte le istanze Quando una risorse è sbloccata viene shiftata la coda di attesa Il primo thread in attesa ne entra in possesso Bernardino Frola 14

15 Scheduling La CPU ottiene il prossimo thread pronto dal suo CPUScheduler dedicato Il comportamento della CPU è indipendente dall algoritmo di scheduling adottato Vediamo come si comporta la chiamata a getnextready al variare dell algoritmo di scheduling in uso Bernardino Frola 15

16 TimeSharing Inoltra semplicemente la chiamata allo scheduler centrale getnextready() t2 CPUScheduler getnextready() La CPU, termita l esecuzione dell istruzione, deciderà se rimettere o meno il thread di nuovo nella coda dei pronti wait Scheduler signal t2 t5 t5 t3 t4 t1 Bernardino Frola 16 t Coda dei pronti centrale

17 TimeSharing con affinità Meglio con code dedicate devono però essere aggiornate getnextready() t2 signal wait CPUScheduler t2 t5 t5 t6 t3 t4 t1 Coda dei pronti dedicata wait signal addthread(t6,2) CPUScheduler addprocess((t6,2), (t7,1), (t8,2)) (t7,2) GUI Scheduler (t8,1) CPUScheduler Bernardino Frola 17

18 getnextready() t2 SpaceSharing Non ci sono code dei pronti, solo di attesa Lo scheduler aggiunge alla coda di attesa i processi Controlla periodicamente lo spazio La CPU diventa disponibile solo quando il signal thread associato termina wait CPUScheduler t6 t2 wait signal addthread(t6) Posto disponibile per p3 = t6,t7,t8 Scheduler p3 p4 p1 p4 p1 Coda di attesa Bernardino Frola 18!..t7..t8

19 GANG Scheduling Simile al TS con affinità Le CPU devono però sincronizzarsi getnextready() t3 signal wait CPUScheduler t3 t2 t4 t6 t9 t1 t2 t4 signal sync() wait CPUScheduler CPUScheduler t8,t5,t7 t6,t9,t1 t3,t2,t4 GUI addprocess( ) Scheduler Coda dei pronti dedicata Gang di thread t4 t7 t1 Bernardino Frola t3 t8 t6 t2 t5 t9

20 Stallo I processi possono avere accesso esclusivo alle risorse Bloccandole, oppure Si possono quindi verificare situazioni di stallo Il sistema è in grado di riconoscerle Tramite l algoritmo del banchiere Mostrando il grafo di attesa L utente può eliminare i processi in stallo Bernardino Frola 20

21 Stallo: un esempio Classico esempio di stallo tra processi P1 BR, 1, 20 CPU, 50 RES, 1, 5 BR, 2, 10 CPU, 4 UR, 1 UR, 2 CPU, 30 P2 BR, 2, 20 CPU, 30 RES, 2, 10 BR, 1, 20 CPU, 60 UR, 2 UR, 1 CPU, 30 P1 Resorce1 P2 Resorce2 Grafo di attesa P2 P1! P1 P2 P2 P1 Bernardino Frola 21

22 Modulo CPU Realizzazione Il sistema è stato realizzato in C I sorgenti sono suddivisi in moduli compilati indipendentemente Linkando i moduli si ottiene l eseguibile CPU.c CPU.h Makefile make CPU.o eseguibile Modulo Thread Thread.c Thread.h Makefile Modulo Main Main.c Makefile make Bernardino Frola 22 make Thread.o make.o

23 Realizzazione: Pthread Le CPU concorrenti sono statre realizzate tramite i Pthread La simulazione delle attese è stata implementata con delle nanosleep Senza attesa attiva avviene un migliore avvicendamento dei pthread Le attese per le risorse sono realizzate all interno di Pthread separati Incidendo quanto meno possibile sull esecuzione delle CPU Bernardino Frola 23

24 Realizzazione: GUI Lo scompoarto grafico è stato realizzato con la libreria Gtk e Glade Glade è un tool che fornisce un ambiente visivo per lo sviluppo di interfacce grafiche Genera tre componenti: Interface: dichiarazioni e inizializzazione degli oggetti grafici Gtk Callbacks: elenco delle funzioni richiamate in seguito ad eventi scaturiti dall iterazione con l utente Support: funzioni di supporto Bernardino Frola 24

25 Realizzazione: Schema di base Fase iniziale Istanzia SystemState Istanzia Scheduler Istanzia Memory Registra su SystemState Istanzia CPU Crea Phread Avvio CPU Istanzia CPUScheduler Registra su SystemState Avvia CPU sul Pthread Sezione grafica Istanzia componenti grafici Avvia temporizzatore Bernardino Frola 25

26 Realizzazione: Note finali È stata utilizzata in modo consistente la libreria Glib Logging, debugging (asserzioni e condizioni di ingresso), gestione delle code Qualche problema con La sincronizzazione delle CPU Tanti semafori da sbloccare insieme L utilizzo delle stampe di debug di Glib Decisamente poco thread-safe drawingarea di Gdk un po ostiche Bernardino Frola 26

27 Bibliografia Abraham Silbershatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne, Sistemi operativi - concetti ed esempi. Pearson Education Italia, sesta edizione. Andrew S. Tanenbaum, I moderni sistemi operativi. Jackson Libri, seconda edizione Willian Stallings, Architettura e organizzazione dei calcolatori. Pearson Education Italia, sesta edizione. Tony Gale, Ian Main, the GTK team, GTK+ 2.0 Tutorial. Blaise Barney, POSIX Threads Programming. Bernardino Frola 27