I Segnali

1
Concetti di base dellaProgrammazione
Concorrente
2
Programmazione Sequenziale

• La programmazione è di solito insegnata con
  riferimento ad un esecutore sequenziale
• Un esecutore sequenziale svolge una sola azione
  alla volta sulla base di un programma sequenziale
  
• Lesecuzione di un programma sequenziale origina
  un processo sequenziale che conferisce un
  ordinamento totale alle azioni eseguite
• La programmazione di un esecutore concorrente,
  ovvero in grado di eseguire più istruzioni
  contemporaneamente, sebbene più difficile di
  quella tradizionale, ha forti motivazioni
  didattiche e pratiche

3
Programmazione Concorrente Motivazioni

• Migliorare la comprensione di un SO che regola
  diverse attività parallele
• Sfruttare le prestazioni ottenibili da
  architetture multi-processor
• un programma sequenziale non giova di una
  architettura parallela
• Migliorare la reattività delle applicazioni
  allinput dellutente durante lunghe operazioni
  di I/O o di elaborazione
• La maggiore naturalezza con la quale si possono
  scrivere alcune tipologie di applicazioni
  (server, robotica, giochi, simulazioni di
  attività concorrenti)?

4
Utilizzo dei Processori Applicazione mono-thread
5
Utilizzo dei Processori Applicazione
multi-thread
6
Legge di Amdahl
Nel riquadro viene indicata la frazione
sequenziale del calcolo
7
Istruzione ed Area Memoria

• Per ragionare a vari livelli di granularità,
  consideriamo astrattamente i due concetti di
  istruzione ed area di memoria
• Istruzione alcune possibili esemplificazioni
• istruzione macchina
• istruzione firmware
• uno statement java
• un metodo di una classe java
• un intero programma
• una stored-procedure di un DBMS
• la scrittura di un blocco del gestore della
  concorrenza di un DBMS
• Area di Memoria alcune possibili
  esemplificazioni
• un bit, un byte, una parola macchina
• un campo di una struttura dati, una struttura
  dati intera
• un attributo, una tupla, una tabella, un intero
  db
• un blocco di un dispositivo di memoria secondaria

8
Processi Paralleli o Concorrenti

• Un processo sequenziale definisce un ordinamento
  totale sulle istruzioni
• Un processo parallelo definisce un ordinamento
  parziale sulle istruzioni
• su alcune istruzioni lesecutore è libero di
  scegliere quali iniziare prima e/o di eseguirle
  contemporaneamente
• Esempio consideriamo un banale programma per
  calcolare e stampare le prime quattro potenze di
  un valore X. Si supponga di disporre di tre sole
  tipologie di istruzione
• leggi ltvariabilegt
• scrivi ltvariabilegt
• ltvariabilegt ? ltvariabilegt ltvariabilegt

9
Diagramma delle Precedenze
Algoritmo sequenziale

• begin
• 1. leggi X
• 2. scrivi X
• 3. X2 ? X X
• 4. scrivi X2
• 5. X3 ? X2 X
• 6. scrivi X3
• 7. X4 ? X2 X2
• 8. scrivi X4
• end

10
Diagramma delle Precedenze
leggi X
Algoritmo parallelo
Algoritmo sequenziale

• begin
• 1. leggi X
• 2. scrivi X
• 3. X2 ? X X
• 4. scrivi X2
• 5. X3 ? X2 X
• 6. scrivi X3
• 7. X4 ? X2 X2
• 8. scrivi X4
• end

scrivi X
X2 ?XX
scrivi X2
X3 ?X2X
X4?X2X2
scrivi X3
scrivi X4
11
Esercizi
Costruire un diagramma delle precedenze che
esprima il massimo grado di parallelismo nel
calcolo delle seguenti espressioni sullo stile
dellesempio appena visto (AB)(CD)?
12
Esecuzioni Sequenziale e Parallele

• Sia i una generica istruzione, in generale può
  essere divisibile in istruzioni più elementari
• Siano Ii e Fi gli eventi di inizio e fine
  esecuzione
• Date due istruzioni a e b consideriamo i 6
  possibili ordinamenti in cui occorrono i quattro
  eventi Ia, Fa, Ib, Fb
• Ia Ib Fa Fb
• Ia Fa Ib Fb Ia Ib Fb Fa
• Ib Fb Ia Fa Ib Ia Fa Fb
• Ib Ia Fb Fa
• esecuzioni sequenziali esecuzioni parallele

13
Sequenze di Esecuzione Ammissibili

• Una sequenza di esecuzione ammissibile è una
  sequenza di questi eventi che rispetta i vincoli
  espressi dal diagramma delle precedenze
• Ad un certo diagramma delle precedenze
  corrispondono molteplici sequenze di esecuzione
  ammissibili
• Ad es., con riferimento al precedente diagramma

Ii1Fi1Ii2Ii3Fi2Fi3Ii4Ii7Ii5Fi5Fi7Fi4Ii6Fi6Ii8Fi8
14
Sequenze di Interleaving

• Un caso speciale ma rilevante di sequenza di
  esecuzione ammissibile consideriamo
• un solo esecutore fisico
• istruzioni indivisibili
• due processi sequenziali A e B con istruzioni
• a1a2a3a4
• b1b2b3b4
• Diciamo sequenza di interleaving la sequenza
  scelta dallesecutore, ad esempio
• a1b1b2a2b3a3a4b4
• Analogamente per tre o più processi

15
Processori Virtuali

• Nei sistemi operativi moderni, molteplici
  esecutori virtuali possono essere implementati
  con uno o più processori fisici attraverso
  tecniche di context-switching
• In base al numero di processori fisici
  disponibili ed al numero di processi esistenti,
  risultano possibili varie situazioni per far
  avanzare concorrentemente i processi
• interleaving
• overlapping
• una combinazione di queste due

16
Overlapping ed Interleaving

• Lesecutore può eseguire più istruzioni
  concorrentemente mediante
• overlapping
• interleaving
• combinazione

CPU0
Pa
t
CPU1
Pb
t
CPU0
CPU0
Pa
t
Pb
CPU0
CPU0
t
Pa
CPU0
CPU1
t
Pb
CPU1
CPU0
t
17
Quando Eseguire Concorrentemente?

• Dato un programma sequenziale, non è difficile
  costruire un equivalente diagramma delle
  precedenze
• Tuttavia è opportuno stabilire un criterio
  generale per capire se due istruzioni possono
  essere eseguite concorrentemente o meno
• per ottenere diagrammi delle precedenze che
  esprimono il massimo grado di parallelismo
  possibile
• per automatizzare il calcolo dei vincoli che
  esprimono
• Quando è lecito eseguire
• concorrentemente due istruzioni ia e ib ?

18
Dominio e Rango

• Indichiamo con A, B, X, Y, unarea di memoria
• Una istruzione i
• dipende da una o più aree di memoria che
  denotiamo domain(i), ovvero dominio di i
• altera il contenuto di una o più aree di memoria
  che denotiamo range(i) di i, ovvero rango di i
• Ad es. per la procedura P
• procedure P
• begin
• X ? A X
• Y ? A B
• end

domain(P) A, B, X range(P) X, Y
19
Condizioni di Bernstein

• Quando è lecito eseguire
• concorrentemente due istruzioni ia e ib ?
• se valgono le seguenti condizioni, dette
  Condizioni di Bernstein
• range(ia) n range(ib) Ø
• range(ia) n domain(ib) Ø
• domain(ia) n range(ib) Ø

20
Condizioni di Bernstein (2)?

• Si osservi che non si impone alcuna condizione su
• domain(ia) n domain(ib)?
• Sono banalmente estendibili al caso di tre o più
  istruzioni
• Esempi di violazione per le due istruzioni
• X ? Y 1 X ? Y 1 (violano la 1.)?
• X ? Y 1 Y ? X - 1 (violano la 2. e la 3.)?
• scrivi X X ? X Y (violano la 3.)?

21
Effetti delle Violazioni

• Quando un insieme di istruzioni soddisfa le
  condizioni di Bernstein, il loro esito
  complessivo sarà sempre lo stesso
  indipendentemente dallordine e dalle velocità
  relative con cui vengono eseguite
• in altre parole, indipendentemente dalla
  particolare sequenza di esecuzione seguita dai
  processori
• ovvero, sarà sempre equivalente ad una loro
  esecuzione seriale
• Al contrario, in caso di violazione, gli errori
  dipendono dallordine e dalle velocità relative
  generando il fenomeno dellinterferenza

22
Esempio di Interferenza (1)?

• La disponibilità di un volo di una compagnia
  aerea è memorizzata in POSTI1. Due signori nel
  medesimo istante ma da due postazioni distinte,
  chiedono rispettivamente di prenotare lultimo
  posto e di disdire la prenotazione già effettuata
• Le due richieste vengono tradotte in queste
  sequenze di istruzioni elementari indivisibili

procedure Prenota begin Ra ? POSTI - 1 POSTI
? Ra end
procedure Disdici begin Rb ? POSTI 1 POSTI
? Rb end
23
(No Transcript)
24
Interferenza

• Si ha interferenza in presenza di
• due o più flussi di esecuzione
• almeno un flusso di esecuzione eseguente
  scritture
• Perché
• un flusso esegue un cambio di stato dellarea di
  memoria in maniera non atomica
• gli stati transienti che intercorrono tra quello
  iniziale a quello finale sono visibili a flussi
  di esecuzione diversi da quello che li sta
  producendo

25
(No Transcript)
26
Errori Dipendenti dal Tempo

• Linterferenza causa errori particolarmente
  temibili perché dipendenti dalla sequenza di
  interleaving effettivamente eseguita
• Questi errori sono particolarmente temibili
  perché
• ciascuna sequenza di esecuzione può produrre
  effetti diversi
• la scelta della particolare sequenza adottata è
  (dal punto di vista del programmatore) casuale

27
Caratteristiche degli Errori Dipendenti dal Tempo

• irriproducibili possono verificarsi con alcune
  sequenze e non con altre
• indeterminati esito ed effetti dipendono dalla
  sequenza
• latenti possono presentarsi solo con
  sequenze rare
• difficili da verificare, e testare perché le
  tecniche di verifica e testing si basano sulla
  riproducibilità del comportamento

28
Il Programmatore e gli Errori Dipendenti dal Tempo

• Il programmatore non può fare alcuna assunzione
• sulla particolare sequenza di interleaving
  eseguita, ovvero
• sulle velocità relative dei vari processori
  virtuali
• su un qualsiasi altro tipo di sincronismo legato
  alla specifica implementazione dei processori
  virtuali
• Un programma che implicitamente od esplicitamente
  basa la propria correttezza su ipotesi circa la
  velocità relativa dei vari processori, è
  scorretto
• Esiste una sola assunzione che possono fare i
  programmatori sulla velocità dei processori
  virtuali

29
Assunzione di Progresso Finito

• Tutti i processori virtuali hanno
• una velocità finita non nulla
• Questa assunzione è lunica che si può fare sui
  processori virtuali e sulle loro velocità relative

30
Starvation Deadlock

• Esistono due diverse situazioni che possono
  invalidare lassunzione di progresso finito
• starvation quando un processo rimane in attesa
  di un evento che pure si verifica infinite volte
• un sistema di processi che garantisce contro
  questa evenienza si dice che gode della proprietà
  di fainess
• deadlock (o stallo) quando due o più processi
  rimangono in attesa di eventi che non potranno
  mai verificarsi a causa di condizioni cicliche
  nel possesso e nella richiesta di risorse
• esempio classico un processo Pa possiede una
  risorsa R1 e richiede una risorsa R2 già
  posseduta da un altro processo Pb questultimo
  a sua volta richiede luso di R1