Concorrenza e Sincronizzazione di Thread e Processi

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Concorrenza e Sincronizzazione di Thread e
Processi
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Concorrenza e Sincronizzazione

• Obiettivi
• garantire la mutua esclusione nellaccesso a
  risorse condivise da parte di thread/processi
  concorrenti
• Più in generale, stabilire un coordinamento fra
  (sincronizzare) le azioni di thread/processi
  concorrenti

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Mutua-esclusione

• Problemi da risolvere
• Aggiornamenti perduti (lost update)
• Azione aggiornamento concorrente di un dato da
  parte di più thread/processi
• Risultato lultimo valore sovrascrive tutti gli
  altri
• Letture inconsistenti (inconsistent read)
• Azione lettura di un dati che successivamente
  vengono modificati da altri thread/processi
  concorrenti
• Risultato i calcoli basati sui dati non
  aggiornati producono risultati sbagliati
• Vincoli
• Garantire il massimo di attività concorrenti
  (liveness)
• Evitare lo stallo (deadlock)
• NB Se laccesso alle variabili condivise avviene
  solo in lettura (nessun thread cambia I valori)
  non ci sono mai problemi di mutua-esclusione

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Esempio di inconsistenza

• a 1 1 è sempre uguale a zero?
• Un caso pratico. Si supponga che
• a sia una variabile condivisa da 200 thread
• 100 thread incrementano a
• 100 thread decrementano a
• qual è il valore finale di a?

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Un occhio al codice assembler

• Decremento di a
• load R1, a
• sub R1, 1
• Store a,R1

• Incremento di a
• load R1, a
• add R1, 1
• store a, R1

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Possibile sequenza di esecuzione

• a vale inizialmente 0, comincia Thread 1
• load R1, a // legge il valore di a, R1 0
• add R1, 1 // incremento, R1 1
• Preemption, cambio contesto, comincia Thread 2
• load R1, a // legge il valore di a, R1 0
• sub R1, 1 // decremento, R1 -1
• store a, R1 // scrive valore di a, a -1
• Preemption, cambio contesto, continua Thread 1
• (NB Loperazione 5 ha reso inconsistente la
  lettura 1)
• store a, R1 // scrive il valore di a, a 1
• Fine, a vale 1 invece che 0
• (NB Loperazione 6 ha sovrascritto
  laggiornamento 5)

Inconsistent read
Lost update
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Soluzione sezioni critiche

• Una sezione critica viene eseguita senza cambi di
  contesto intermedi

• Decremento di a
• test_and_set lock
• load R1, a
• sub R1, 1
• store a,R1
• unset lock

• Incremento di a
• test_and_set lock
• load R1, a
• add R1, 1
• store a, R1
• unset lock

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Mutua Esclusione in Windows Oggetti Mutex

• Mutex Mutual Exclusion object
• CreateMutex()
• ReleaseMutex()
• WaitForSingleObject()
• A basso livello, Windows usa un meccanismo
  hardware di sincronizzazione (sul modello
  test-and-set) per implementare un lock
  primitivo chiamato spinlock

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Procedimento

• Si crea loggetto mutex
• uso CreateMutex()
• Si inizia la sezione critica, occupando loggetto
  mutex
• uso WaitForSingleObject()
• Alla fine della regione critica, si rilascia
  loggetto mutex
• uso ReleaseMutex()

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CreateMutex

• Funzione creazione di un nuovo oggetto Mutex
• HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES
  lpMutexAttributes, BOOL bInitialOwner, LPCTSTR
  lpName)
• lpMutexAttributes attributi di sicurezza
• bInitialOwner se true, il Mutex viene risulta
  già occupato dal processo/thread che lo crea
• lpName nome simbolico delloggetto
• Restituisce lo handle del Mutex creato

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WaitForSingleObject

• Funzione test_and_set di un oggetto Mutex
• DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hMutex, DWORD
  dwMilliseconds)
• hMutex il mutex da occupare
• dwMilliseconds timeout di attesa (eventualmente
  INFINITE)
• Restituisce lindicazione del motivo della
  terminazione (es. Timeout)

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ReleaseMutex

• Funzione rilascio (unlock) di un Mutex
  precedentemente occupato
• BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex)
• hMutex il mutex da rilasciare
• Restituisce TRUE in caso di successo

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Stati degli Handle e WaitForSingleObject

• Gli handle sono associati a eventi di
  sincronizzazione, in base ai quali possono
  transire fra due possibili stati
• Signaled
• unsignaled

evento di sincronizzazione
WaitForSingleObject bloccata
Handle signaled
Handle unsignaled
WaitForSingleObject eseguita
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Handle e WaitForSingleObjectCaso dei Mutex
CreateMutex(,FALSE,)
evento di sincronizzazioneReleaseMutex()
WaitForSingleObject bloccata
Handle Mutex signaled
Handle Mutex unsignaled
WaitForSingleObject eseguita
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Handle e WaitForSingleObjectCaso di
Thread/Processi
CreateProcess() CreateThread()
evento di sincronizzazioneterminazione del
thread/processo
WaitForSingleObject bloccata
Handle thread signaled
Handle thread unsignaled
WaitForSingleObject eseguita
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Il nome degli oggetti

• Perché è possibile dare un nome ad un oggetto
  come un Mutex?
• Dare un nome ad un oggetto significa dare
  visibilità globale alloggetto
• Gli oggetti visibili globalmente sono accessibili
  da altri processi
• Procedimento generale
• Se in fase di creazione di un oggetto si
  specifica il nome di un oggetto che esiste già
  nel sistema, viene restituito lo Handle
  delloggetto esistente

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Handle table dei processi e object manager
globale
Gestore unico degli oggetti li crea, cancella,
li contiene, ecc.

• Processo A
• H.T.

• Object Manager
• Oggetto 1
• Oggetto 2
• Oggetto 3
• Oggetto 4

• Processo B
• H.T.

• Processo C
• H.T.

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Condivisione dei Mutex

• Se in CreateMutex di specifica il nome (terzo
  par.) di un Mutex già esistente
• Viene restituito lo handle al Mutex esistente
• Il secondo parametro (occupazione iniziale del
  Mutex) viene ignorato

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Coordinamento con Eventi

• Un evento è una segnalazione di un
  processo/thread (solitamente relativa a un
  cambiamento di stato) che può essere ricevuta da
  un altro processo/thread
• Il processo/thread che gestisce levento (e lo
  segnala) viene detto observer
• Il processo che riceve levento (e reagisce di
  conseguenza) viene detto listener
• CreateEvent()
• per creare un nuovo evento o connettersi ad un
  evento esistente
• SetEvent()
• per segnalare un evento
• WaitForSingleObject()
• per ascoltare un evento, bloccandosi in attesa
  che sia segnalato

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Handle e WaitForSingleObjectCaso degli Eventi
CreateEvent()
evento di sincronizzazioneSetEvent(...)
WaitForSingleObject bloccata
Handle evento signaled
Handle evento unsignaled
WaitForSingleObject eseguita
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CreateEvent

• Funzione creazione di un nuovo oggetto evento o
  connessione ad uno esistente
• HANDLE CreateEvent(
• LPSECURITY_ATTRIBUTES lpEventAttributes,
• BOOL bManualReset
• BOOL bInitialState
• LPCTSTR lpName)
• lpEventAttributes attributi di sicurezza
• bManualReset gestione manuale del reset (vedere
  ResetEvent)
• bInitialOwner se true, levento risulta già
  segnalato alla creazione
• lpName nome simbolico delloggetto
• Restituisce lo handle dellevento creato (o
  connesso)

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SetEvent

• Funzione segnalazione di un evento
• BOOL SetEvent(HANDLE hEvent)
• hEvent levento da segnalare
• Restituisce TRUE in caso di successo