Programowanie wspolbiezne w informatyce

(1)

informatyka + 1

Współbieżność w informatyce

i nie tylko

Marcin Engel Instytut Informatyki Uniwersytet Warszawski

(2)

informatyka + 2

Co to jest programowanie współbieżne?

(3)

B e a t a informatyka + 3

Lodowisko - model komputera

A n i a _C z a r e k D a m i a n

(4)

informatyka + 4

Język programowania

• Instrukcje są postaci: imię, ruch

• Ruch może być jednym z następujących poleceń:

– Krok naprzód

– _{Obrót w lewo} – _{Obrót w prawo} • Przykład:

(5)

informatyka + 5

Wykonanie instrukcji

B e a t a A n i a _C z a r e k D a m i a n

(6)

informatyka + 6

Przykładowy program ...

Ania, krok naprzód Czarek, obrót w lewo Czarek, krok naprzód Damian, krok naprzód

(7)

informatyka + 7

... i jego wykonanie

Ania, krok naprzód Czarek, obrót w lewo Czarek, krok naprzód Damian, krok naprzód

B e a t a A n i a _C z a r e k D a m i a n C z a r e k

(8)

informatyka + 8

Niebezpieczne ruchy

• Łyżwiarz nie powinien wpaść na bandę

(9)

informatyka + 9

Niebezpieczne ruchy

Ania, krok naprzód

A n i a

Damian, krok naprzód

B e a t a C z a r e k D a m i a n !!! !!!

(10)

informatyka + 10

Instrukcja złożona

Wprowadźmy do języka jeszcze jedną instrukcję:

jeśli pole przed Tobą jest wolne, to krok

(11)

informatyka + 11

Sekwencyjny program dla łyżwiarzy ...

• Powtarzaj

– _{Ania, jeśli pole przed Tobą jest wolne, to krok}

naprzód, w przeciwnym razie obróć się w lewo

– Beata, jeśli pole przed Tobą jest wolne, to krok naprzód, w przeciwnym razie obróć się w lewo

– _{Czarek, jeśli pole przed Tobą jest wolne, to krok}

naprzód, w przeciwnym razie obróć się w lewo

– Damian, jeśli pole przed Tobą jest wolne, to krok naprzód, w przeciwnym razie obróć się w lewo

(12)

informatyka + 12

... i jego wykonanie

A n i a C z a r e k B e a t a D a m i a n B e a t a D a m i a n A n i a C z a r e k

(13)

informatyka + 13

Wady programu sekwencyjnego

• Programista musi myśleć jednocześnie o wszystkich poruszających się łyżwiarzach

• Wszyscy łyżwiarze poruszają się w ten sam sposób i w takim samym tempie

• Trudno jest zindywidualizować zachowanie łyżwiarzy

(14)

informatyka + 14

Inne podejście

• Trener przygotowuje program dla jednego łyżwiarza, na przykład

powtarzaj:

jeśli pole przed Tobą jest wolne, to krok naprzód, w przeciwnym razie obróć się w lewo

• Program jest wykonywany przez konkretnego łyżwiarza, więc nie trzeba poprzedzać instrukcji imieniem

• Wszyscy łyżwiarze otrzymują swój program i go wykonują

(15)

... i jego wykonanie

informatyka + 15 A n i a C z a r e k B e a t a D a m i a n B e a t a D a m i a n A n i a C z a r e k

(16)

informatyka + 16

(17)

informatyka + 17

Porównanie programu sekwencyjnego z

programem współbieżnym

• W programie sekwencyjnym w danej chwili ruch wykonuje tylko jeden łyżwiarz

• W programie współbieżnym jednocześnie

(18)

informatyka + 18

Wykonanie współbieżne

Wykonanie współbieżne to realizacja kilku czynności w taki sposób, że kolejna

rozpoczyna się przed zakończeniem poprzedniej

(19)

informatyka + 19

Zalety programu współbieżnego

• Większa elastyczność:

– łatwo zmienić zachowanie łyżwiarza wręczając mu inny program

(20)

informatyka + 20

Procesy i programy

• Programy to obiekty statyczne (w naszym przykładzie kartki wręczane łyżwiarzom)

• Procesy to obiekty dynamiczne (w naszym przykładzie: łyżwiarze) wykonujące programy

• Różne procesy mogą wykonywać różne programy • Dwa różne procesy mogą też wykonywać ten sam

program

• Ten sam program może być wykonywany przez różne procesy

(21)

informatyka + 21

Wykonanie programu współbieżnego

• _{Równoległe:}

– asynchroniczne: każdy łyżwiarz jeździ własnym tempem (jak na poprzednich slajdach)

– synchroniczne: wszyscy wykonują jeden ruch na sygnał

• W przeplocie:

– łyżwiarze wykonują ruchy naprzemiennie ciągle w tej samej kolejności lub losowo na polecenie kierownika lodowiska

(22)

Wykonanie synchroniczne

informatyka + 22 A n i a C z a r e k B e a t a D a m i a n B e a t a D a m i a n A n i a C z a r e k RUCH!

(23)

Wykonanie w przeplocie

informatyka + 23 A n i a C z a r e k B e a t a D a m i a n B e a t a D a m i a n A n i a C z a r e k Ania! Beata! Czarek! Damian!

(24)

informatyka + 24

Wykonanie w przeplocie

• Wykonanie w przeplocie przypomina:

– wykonanie sekwencyjne, bo w dowolnej chwili wykonuje się tylko jeden proces

– wykonanie równoległe, zwłaszcza jeśli będziemy szybko przeplatać ruchy poszczególnych

(25)

informatyka + 25

Inne przykłady systemów współbieżnych

• Wykonanie równoległe: – osoby na tej sali

– samochody przejeżdżające przez skrzyżowanie

• Wykonanie w przeplocie:

– uczeń uczący się różnych przedmiotów – kucharz przygotowujący obiad

(26)

informatyka + 26

Dlaczego współbieżność ma obecnie

duże znaczenie?

• Rozwój sprzętu:

– typowa konfiguracja 15 lat temu:

procesor 16 MHz, pamięć 1 MB, dysk 60 MB – typowa konfiguracja dzisiaj:

procesor 2,4 GHz, pamięć 4 GB, dysk 300 GB • Upowszechnienie wielozadaniowych systemów

operacyjnych na komputerach osobistych • Rozwój sieci i Internetu

(27)

informatyka + 27

Jak komputery wykonują programy

współbieżne?

• Wykonanie równoległe jest możliwe na komputerze wyposażonym w:

– wiele procesorów albo – procesor wielordzeniowy

• Systemy operacyjne z podziałem czasu dają

(28)

informatyka + 28

Budowa systemu z podziałem czasu

• Kierownik lodowiska = moduł szeregujący systemu operacyjnego

• Procesy uruchomione w systemie znajdują się w kolejce procesów gotowych

• Pierwszy proces z tej kolejki otrzymuje procesor na określony kwant czasu

• Po upływie kwantu czasu następuje przełączenie kontekstu: proces wykonywany powraca na koniec kolejki procesów gotowych, a procesor otrzymuje kolejny proces z kolejki

(29)

K ol ej ka p ro ce só w g ot ow yc h informatyka + 29

Budowa systemu z podziałem czasu

edytor tekstu arkusz kalkulacyjny przeglądarka kalkulator proces wykonywany

(30)

K ol ej ka p ro ce só w g ot ow yc h informatyka + 30

Przełączenie kontekstu

edytor tekstu arkusz kalkulacyjny przeglądarka kalkulator koniec kwantu K ol ej ka p ro ce só w g ot ow yc h edytor tekstu arkusz kalkulacyjny przeglądarka kalkulator

(31)

informatyka + 31

Wirtualne procesory

edytor tekstu arkusz kalkulacyjny przeglądarka kalkulator procesor wirtualny procesor wirtualny procesor wirtualny procesor wirtualny pr oc es or fiz yc zn y

(32)

informatyka + 32

Problemy z programami współbieżnymi

• Właściwa synchronizacja procesów

• Poprawna i efektywna komunikacja między procesami

W dalszym ciągu naszkicujemy jedynie problemy związane z synchronizacją procesów

(33)

informatyka + 33

Błędna synchronizacja łyżwiarzy

A n i a D a m i a n RUCH! pole przede mną

jest wolne pole przede mną_{jest wolne}

(34)

informatyka + 34

Przygotowanie programu do

uruchomienia

• Program pisze się w języku wysokiego poziomu

• Jest on następnie tłumaczony (kompilowany) na rozkazy maszynowe zrozumiałe dla

komputera

• Jedna instrukcja języka wysokiego poziomu może odpowiadać wielu rozkazom

(35)

informatyka + 35

Znów analogia do lodowiska

• Krok naprzód łyżwiarza składa się z wielu elementarnych ruchów:

– przeniesienie ciężaru ciała na jedną nogę – odbicie się

– ślizg – …

(36)

informatyka + 36

Niepodzielność instrukcji i rozkazów

• Przełączenie kontekstu może nastąpić między dowolnymi rozkazami

• Nie można więc zakładać, że instrukcje programu są niepodzielne

• Wykonanie w przeplocie programu

(37)

informatyka + 37

Błędna synchronizacja łyżwiarzy

A n i a D a m i a n Ania! pole przede mną

jest wolne pole przede mną_{jest wolne}

!!!

(38)

informatyka + 38

Współbieżny dostęp do konta

załaduj saldo do AX odejmij 1000 od AX prześlij AX do saldo załaduj saldo do BX dodaj 1000 do BX prześlij BX do saldo saldo = 5000

(39)

informatyka + 39

Możliwe wykonanie

załaduj saldo do AX saldo = 5000 odejmij 1000 od AX prześlij AX do saldo załaduj saldo do BX dodaj 1000 do BX prześlij BX do saldo saldo = 6000

(40)

informatyka + 40

Inny przeplot

(41)

informatyka + 41

I jeszcze jedna możliwość

(42)

informatyka + 42

Jeszcze jeden przykład

powtórz 5 razy:

x := x + 1 powtórz 5 razy x := x + 1 x = 0

Czy na koniec zawsze x = 10? Czy zawsze x <= 10?

Nie! Tak!

(43)

informatyka + 43

Klasyczne problemy współbieżności

• Wzajemne wykluczanie

• Pięciu filozofów

• Producenci i konsumenci • Czytelnicy i pisarze

(44)

informatyka + 44

Wzajemne wykluczanie

powtarzaj: własne sprawy … sekcja krytyczna ... powtarzaj: własne sprawy … sekcja krytyczna ...

Jak zapewnić, że sekcję krytyczną wykonuje w dowolnym momencie co najwyżej jeden

(45)

informatyka + 45

Dodatkowe założenia

• Każdy proces znajdujący się w sekcji

krytycznej opuści ją w skończonym czasie • Nie zakłada się nic o własnych sprawach • Procesy nie mogą być ze sobą ściśle

związane (np. awaria jednego nie może powodować awarii drugiego)

(46)

informatyka + 46

Próba rozwiązania

• Stawiamy przed sekcją krytyczną sygnalizator świetlny (zmienna logiczna)

• Początkowo wyświetla on światło zielone

• Proces przed wejściem do sekcji sprawdza światło: – jeśli jest zielone – wchodzi do sekcji i zmienia

światło na czerwone

– jeśli jest czerwone – czeka

• Po opuszczeniu sekcji krytycznej proces zmienia światło na zielone

(47)

informatyka + 47

Działanie tego rozwiązania

sek sekcja krytyc zna własne spraw y

(48)

informatyka + 48

I znów błąd synchronizacyjny!

Sprawdzenie światła i zmiana jego koloru nie muszą być niepodzielne!

(49)

informatyka + 49

Może się więc zdarzyć tak:

sek sekcja krytyc zna własne spraw y

(50)

informatyka + 50

Własność bezpieczeństwa

• _{Własność bezpieczeństwa programu}

współbieżnego to spełnienie przez niego

wymagań synchronizacyjnych wynikających ze specyfikacji problemu

• Program musi być bezpieczny dla wszystkich możliwych przeplotów

• Bezpieczeństwo wzajemnego wykluczania: w sekcji krytycznej jest co najwyżej jeden proces

(51)

informatyka + 51

Druga próba rozwiązania

• Stawiamy przed sekcją krytyczną sygnalizator świetlny (zmienna logiczna)

• Początkowo wyświetla on światło czerwone

• Proces przed wejściem do sekcji sprawdza światło: – jeśli jest zielone – wchodzi do sekcji i zmienia

światło na czerwone

– jeśli jest czerwone – czeka

• Po opuszczeniu sekcji krytycznej proces zmienia światło na zielone

(52)

informatyka + 52

Działanie tego rozwiązania

sek sekcja krytyc zna Własne spraw y

(53)

informatyka + 53

Własność żywotności

• _{Własność żywotności oznacza, że każdy}

proces, który dotarł do fragmentu programu objętego synchronizacją, w końcu ten

fragment wykona

• Żywotność wzajemnego wykluczania: każdy proces, który chce wejść do s. kryt., w

końcu do niej wejdzie

• Program poprawny musi spełniać zarówno własność bezpieczeństwa jak i żywotności

(54)

informatyka + 54

Przejawy braku żywotności

• Zakleszczenie – w systemie nic się nie

dzieje, a procesy oczekują na zdarzenie, które nigdy nie zajdzie

• _{Zagłodzenie – lokalny brak żywotności;}

pechowy proces nie może wykonywać się dalej

(55)

informatyka + 55

Zakleszczenie – przykład

proces 1 proces 2 drukarka skaner ma ma chce chce

(56)

informatyka + 56

Zakleszczenie na skrzyżowaniu

równorzędnym

(57)

informatyka + 57

(58)

informatyka + 58

Problem pięciu filozofów

myśli

(59)

informatyka + 59

Pięciu filozofów – próba pierwsza

• Głodny filozof czeka, aż będzie wolny lewy widelec, po czym go podnosi

• Następnie czeka, aż będzie wolny prawy widelec, po czym go podnosi i rozpoczyna jedzenie

• Oddawanie widelców odbywa się w tej samej kolejności

(60)

informatyka + 60

Podnoszenie widelców – próba

pierwsza

myśli głodnyje gło dn_y je m yś li

(61)

informatyka + 61

Podnoszenie widelców – zakleszczenie

myśli głodny m yś li gło dn_y myś li ny głod my śli gło dn y myś li głod ny

(62)

informatyka + 62

Pięciu filozofów – próba druga

• Głodny filozof czeka, aż będą dostępne

oba widelce

• Następnie podnosi je jednocześnie, a po skończeniu jedzenia – jednocześnie je oddaje

• Jeśli tylko jeden widelec jest wolny, to pozostaje on na stole

(63)

informatyka + 63

Podnoszenie widelców – próba druga

myśli głodnyje m yś li gło dn_y je

(64)

informatyka + 64

Podnoszenie widelców – zagłodzenie

myśli głodnyje m yś li gło dn_y je myś li _ny głod myś li my śli

(65)

informatyka + 65

Pięciu filozofów – rozwiązanie poprawne

Pierwsza próba + dodatkowy proces „lokaj”, który dopuszcza do stołu co najwyżej 4

(66)

informatyka + 66

Podsumowanie

• Programowanie współbieżne:

– to ważna technika programowania

zwłaszcza we współczesnej informatyce – umożliwia lepsze wykorzystanie mocy

obliczeniowej współczesnych procesorów – prowadzi do tworzenia bardziej

elastycznych programów o lepszej strukturze

(67)

informatyka + 67

Podsumowanie

• Programy współbieżne mogą być wykonywane:

– synchronicznie – asynchronicznie – w przeplocie

• Wielozadaniowe systemy operacyjne wspierają współbieżność

• Systemy z podziałem czasu umożliwiają

uruchamianie programów współbieżnych na jednym procesorze

(68)

informatyka + 68

Podsumowanie

• Problemy z programami współbieżnymi: – procesy wymagają synchronizacji

– programy są trudne do analizy

– ich wykonanie bywa nieintuicyjne – trudno wykazać ich poprawność

(69)

informatyka + 69

Podsumowanie

• Poprawność programu współbieżnego oznacza:

– bezpieczeństwo

– żywotność (brak zakleszczeń i zagłodzeń) • Własności te muszą być zachowane dla

(70)

informatyka + 70

Podsumowanie

• Dobre mechanizmy synchronizacyjne

ułatwiają tworzenie poprawnych programów • Ale to już temat na inną opowieść ...