6. SZEREGOWANIE PROCESÓW Szeregowaniem wykonania procesów zajmuje się zarówno system operacyjny, jak i programista. System zarządza wszystkimi wykonywanymi procesami „na niskim poziomie”, kierując się jedynie priorytetami procesów i dostępnością zasobów, na które zgłaszają zapotrzebowanie. Programista zarządza uruchamianymi przez siebie procesami, korzystając z mechanizmów koordynacji dostępnych w używanym przez niego języku programowania. Koordynacja jest potrzebna w przypadku korzystania ze wspólnych zasobów. Jakie mogą być oczekiwania wobec kolejności udostępniania zasobów procesom ? Uczciwość słaba (weak fairness, justice) Program nazywamy słabo uczciwym, jeżeli dla każdego jego wykonania i dla każdego jego procesu zachodzi: jeżeli proces od pewnego momentu nieprzerwanie zgłasza zapotrzebowanie na pewien zasób, to kiedyś będzie ono obsłużone. W praktyce oznacza to, że w momencie zgłoszenia zapotrzebowania proces zostaje zawieszony i czeka na przydział zasobu. Czas oczekiwania może być dowolnie długi.

Uczciwość mocna (strong fairness, compassion) Program nazywamy mocno uczciwym, jeżeli dla każdego jego wykonania i każdego procesu zachodzi: jeżeli proces zgłasza zapotrzebowanie dostatecznie wiele razy, to kiedyś będzie ono obsłużone. Oznacza to, że jeżeli proces wykonując się co pewien czas sprawdza, czy potrzebny zasób jest już dostępny, to po pewnym (dowolnie długim) czasie otrzyma przydział tego zasobu. Oczekiwanie liniowe Program ma własność oczekiwania liniowego, jeżeli dla każdego jego wykonania i każdego procesu zachodzi: jeżeli proces zgłosi zapotrzebowanie, to będzie ono obsłużone, zanim dowolny inny proces czekający na ten sam zasób będzie obsłużony więcej, niż raz. Jest to własność o bardziej praktycznym charakterze, niż dwie poprzednie, gdyż pozwala oszacować (choćby tylko z grubsza) czas oczekiwania na przydział.

FIFO (kolejka prosta) Program ma własność FIFO, jeżeli dla każdego jego wykonania i każdego procesu zachodzi: jeżeli proces zgłosi zapotrzebowanie, to będzie ono obsłużone przed każdym zapotrzebowaniem zgłoszo- nym później. Ta definicja może odnosić się jedynie do programu wykonywanego w systemie ściśle powiązanym, gdyż tylko w tym przypadku ma sens pojęcie czasu bezwzględnego i jednoczesności. W przypadku systemu luźno powiązanego można korzystać co najwyżej z pojęcia oczekiwania liniowego. Korzystając z wyżej wprowadzonych pojęć, można teraz dokładniej określić własności semaforów związane z szeregowaniem uruchamiania oczekujących procesów: Semafor ze zbiorem oczekujących jest to semafor, dla którego wybór procesu do uruchomienia spośród oczekujących procesów jest niedeterministyczny. Semafor taki nazywamy też semaforem słabo uczciwym, gdyż jeżeli od pewnego momentu stale ma wartość dodatnią, to czas oczekiwania pod nim dla każdego procesu jest skończony.

Semafor silnie uczciwy to semafor o własności: jeżeli operacja sygnalizuj będzie wykonana na semaforze nieskończenie wiele razy, to czas oczekiwania pod tym semaforem dla każdego procesu będzie skończony. Semafor z kolejką oczekujących to semafor, który wstrzymywane procesy wstawia do kolejki prostej, a kolejne operacje sygnalizuj uruchamiają je w takiej kolejności, w jakiej zostały wstrzymane. Uwaga. Każdy semafor z kolejką oczekujących jest silnie uczciwy, ale niekoniecznie na odwrót. Pojęcia semafora ze zbiorem oczekujących i z kolejką oczekujących są pojęciami o charakterze implementacyjnym, pojęcia semafora słabo uczciwego i silnie uczciwego są pojęciami abstrakcyj- nymi (odnoszą się do bardziej ogólnych własności).

7. KLASYCZNE PROBLEMY WSPÓŁBIEŻNOŚCI Dwa klasyczne problemy zostały już przedstawione na poprzednim wykładzie: problem wzajemnego wykluczania (mutual exclusion) i problem producenta i konsumenta (producer and consumer). 1) Problem wzajemnego wykluczania. Przedstawione rozwiązanie zakładało istnienie implementacji semaforów w systemie. Co więcej, dla liczby procesów większej od 2, brak możliwości głodzenia procesów zależał od uczciwości użytego semafora. Obecnie przedstawimy rozwiązania nie korzystające z semaforów, a jedynie zakładające niepodzielność operacji podstawienia oraz operacji await. a) Algorytm Dekkera kto: 1..2 - zmienna wspólna do zapisu i odczytu, wskazuje, który proces ma prawo nalegać na wejście do sekcji krytycznej; ki: 0..1 - zmienne wspólne do odczytu, ale prywatne do zapisu, ki = 0 wskazuje, że i - ty proces zgłosił potrzebę wejścia do sekcji krytycznej.

{ k1 = 1, k2 = 1, kto = 1 } while true do while true do begin begin niekrytyczna1; niekrytyczna2; k1 := 0; k2 := 0; while k2 = 0 do protokół while k1 = 0 do if kto = 2 then wejściowy if kto = 1 then begin begin k1 := 1; k2 := 1; P1: await (kto = 1); || P2 : await (kto = 2); k1 := 0 k2 := 0 end; end; krytyczna1; krytyczna2; k1 := 1; protokół k2 := 1; kto := 2 wyjściowy kto := 1 end end

niekrytyczna1 P1 : || P2 : niekrytyczna2 k1 := 0 k2 := 0 kto = 1 ?

b) Algorytm Petersona yi : boolean - zmienne wspólne do czytania, prywatne do pisania, yi = true oznacza, że Pi zgłasza chęć wejścia do sekcji krytycznej; t : boolean - zmienna wspólna do czytania i pisania („przełącznik dwustanowy”). {  y1   y2   t } while true do while true do begin begin niekrytyczna1; niekrytyczna2; y1 := true; y2 := true; P1: t := false; || P2 : t := true; await ( y2  t ); protokół wejściowy await ( y1   t ); krytyczna1; krytyczna2; y1 := false protokół wyjściowy y2 := false end end Uwaga: testowanie podwójnego warunku powinno być operacją niepodzielną (np. na bitach 1 bajtu) !

P1: || P2 : niekrytyczna1 niekrytyczna2 y1 := true y2 := true y1 := false t := false || P2 : y2 := false t := true  y2  t ?  y1   t ? krytyczna1 krytyczna2

Powyższe rozwiązania nie dają się w prosty sposób uogólnić dla liczby procesów większej, niż 2. Rozwiązania ogólne (nie korzystające z silnie uczciwych semaforów) istnieją, ale są skomplikowane. Algorytm „piekarniany” potrzebuje do koordynacji zmiennych przyjmujących dowolnie duże wartości naturalne i ma czasochłonny protokół wejściowy (nawet przy braku rywalizacji procesów). Lepsze rozwiązania - Peterson 1983, Lamport 1987. 2) Problem producenta i konsumenta Na poprzednim wykładzie były przedstawione dwa rozwiązania: z buforem cyklicznym i semaforami, oraz z kanałem komunikacyjnym. Problem ten ma również wersję ogólniejszą: wielu producentów i wielu konsumentów korzysta ze wspólnego bufora. 3) Problem czytelników i pisarzy Problem ten jest abstrakcją problemu dostępu do wielodostępnej bazy danych. Każdy proces aktuali- zujący dane (pisarz) musi mieć wyłączność dostępu do danych (czytelni), ale procesy, które tylko czytają (czytelnicy), mogą pracować jednocześnie.

zakończeniu pobytu w czytelni przez poprzednika. Idea rozwiązania: (gwarantującego niemożliwość głodzenia zarówno czytelników, jak i pisarzy) Przybywający pisarze ustawiani są w kolejkę prostą, przybywający czytelnicy gromadzeni są w zbiorze. Mechanizm koordynujący wpuszcza na przemian pojedynczych pisarzy i cały zbiór zgromadzonych czytelników. Wpuszczenie może mieć miejsce dopiero po opuszczeniu czytelni przez poprzednich użytkowników / użytkownika. Jeżeli kolejka oczekujących pisarzy jest pusta, a w czytelni przebywają czytelnicy, każdy nowo przybyły czytelnik jest od razu wpuszczany. Jeśli w zbiorze nie oczekują żadni czytelnicy, kolejno przybywający pisarze są wpuszczani po zakończeniu pobytu w czytelni przez poprzednika. Najprostsze rozwiązanie - przy użyciu monitora. kolejka pisarzy zbiór czytelników czytelnia

4) Problem ucztujących filozofów n = 5 Założenia: a) każdy filozof może przebywać w dwóch stanach: myślenie i jedzenie ; b) każdy widelec jest zasobem współdzielonym przez dwóch sąsiadów na zasadzie wyłączności dostępu; c) do jedzenia potrzebne są dwa widelce; d) widelce muszą być brane sekwencyjnie (nie jednocześnie) przez jednego filozofa; e) czasy przebywania w stanach myślenie i jedzenie są zawsze skończone. F0 w0 w1 F1 F4 w4 w2 w3 F2 F3

dzenia jednego z filozofów, musi „psuć” symetrię. Rozwiązanie symetryczne może doprowadzić do blokady (na przykład wszyscy filozofowie mogą jednocześnie podnieść lewe widelce). Rozwiązanie, które nie doprowadzi do blokady ani do gło- dzenia jednego z filozofów, musi „psuć” symetrię. a) Rozwiązanie z ograniczaniem liczby „aktywnych” filozofów do n-1: jadalnia: semafor = 4; widelec: array [0..4] of semafor = 1; while true do {program i-tego filozofa} begin myślenie; czekaj(jadalnia); czekaj(widelec[i] ); czekaj(widelec[(i+1) mod 5] ); jedzenie; sygnalizuj(widelec[i] ); sygnalizuj(widelec[(i+1) mod 5] ); sygnalizuj(jadalnia) end

b) Rozwiązanie ze zróżnicowaniem programów filozofów: i = 0, ..., 3 i = 4 widelec : array [0..4] of semafor = 1; while true do while true do begin begin myślenie; myślenie; czekaj(widelec[i] ); czekaj(widelec[0] ); czekaj(widelec[i+1] ); czekaj(widelec[4] ); jedzenie; jedzenie; sygnalizuj(widelec[i] ); sygnalizuj(widelec[4] ); sygnalizuj(widelec[i+1] ) sygnalizuj(widelec[0] ) end end Oba powyższe rozwiązania wykluczają zarówno możliwość blokady, jak i indywidualnego głodzenia.