Modulo sulla concorrenza Gabriella Pasi e Carla Simone (dai lucidi tratti dal sito del libro di Jeff Magee e Jeff Kramer)

Libro di testo Concurrency: State Models & Java Programs Jeff Magee & Jeff Kramer WILEY

Obbiettivi di questo modulo In questo modulo di lezioni sono presentano i concetti fondamentali relativi alla definizione di specifiche (modelli) di programmi concorrenti. NON sono presentati aspetti di programmazione concorrente in Java, che saranno affrontati nel corso di sistemi operativi. Gli aspetti di modellazione sono di estrema importanza per una corretta comprensione e definizione di sistemi concorrenti, e per ragionare in termini di concorrenza

Programma Concetti Modelli Esempi Costrutti grafici si presenta un approccio modellistico alla specifica e alla costruzione di programmi concorrenti Modelli Labelled Transition Systems (LTS) Costrutti grafici Reti di Petri SA (ad automi sovrapposti) Finite State Process (FSP) notazione algebrica Esempi

Cos’è un programma concorrente? Un programma sequenziale ha un singolo “thread” di controllo. Un programma concorrente ha più “thread” di controllo che permettono sia la realizzazione di computazioni multiple sia il controllo di attività esterne che si presentano contemporaneamente.

Thread: filone, filo del discorso [1] Una delle parti di un processo (applicazione in fase di esecuzione). Ogni thread dispone di una parte di memoria e di un gruppo di registri della CPU. Quando il thread termina (quando cioè termina la singola fase all'interno dell'esecuzione dell'applicazione) la memoria e gli oggetti di sistema che utilizzava vengono liberati. Quando termina l'ultimo thread di un processo, termina anche il processo, e quindi l'applicazione. Il termine multithreading denota l’esecuzione contemporanea di più thread [2] In un newsgroup Usenet (in Internet) identifica i messaggi con un medesimo argomento.

Perché la Programmazione Concorrente? Migliori prestazioni in caso di hardware multiprocessore parallelismo Applicazioni distribuite Incremento velocità di trasferimento dati (throughput) tra applicazioni Incremento dei tempi di risposta delle applicazioni thread di alta priorità per le richieste utenti. Strutturazione nel caso di programmi che interagiscono con l’ambiente, controllo di attività multiple e gestione di eventi multipli.

modelli Un modello è una rappresentazione semplificata della realtà. focalizzazione su un aspetto di interesse - concorrenza animazione dei modelli per verificare un comportamento verifica di proprietà (ad esempio sicurezza & vivezza)

modelli In questo contesto i modelli sono descritti per mezzo di automi a stati finiti. Diversi metodi di rappresentazione grafica: Labelled Transition Systems LTS. Da un punto di vista notazionale in alcuni casi un processo non è ben distinto dal suo comportamento Da un punto di vista notazionale un processo è sempre ben distinto dal suo comportamento Reti di Petri Un modello grafico può essere descritto linguisticamente mediante il linguaggio FSP (finite state processes) e, se denotato mediante LTS, può essere visualizzato e analizzato per mezzo dello strumento di analisi LTSA.

http://www-dse.doc.ic.ac.uk/concurrency/ Materiale su Web esempi in Java esempi di modelli a stati Il tool “Labelled Transition System Analyser (LTSA)” per animare i modelli LTS e per verificarne le proprietà.

Capitolo 2 Processi & Thread

Processi concorrenti I sistemi complessi sono strutturati come insiemi di attività semplici ognuna rappresentata come processo sequenziale. I processi possono sovrapporsi o essere concorrenti. La concorrenza può essere intrinseca al mondo fisico, oppure introdotta per ottimizzare i tempi di esecuzione o per gestire comunicazioni. La programmazione concorrente è complessa e può facilmente introdurre errori. Un approccio rigoroso è essenziale Processo come sequenza di azioni Modellazione di processi come macchine a stati finiti A livello di programmazione: thread in Java.

Modellazione di Processi Modelli descritti mediante macchine a stati, quali Reti di Petri e Labelled Transition Systems LTS. Queste possono essere descritte linguisticamente per mezzo di una notazione algebrica, detta finite state processes (FSP) Notazioni con espressività diversa! Vedremo perchè LTS - Reti di Petri forma grafica FSP - forma algebrica

Modellazione di Processi Un processo è l’esecuzione di un programma sequenziale. E’ modellato come una macchina a stati finiti che transita da stato a stato per mezzo dell’esecuzione di azioni atomiche. Un interruttore Reti di Petri on off LTS onoffonoffonoff ………. Una sequenza di azioni o “trace” comportamento

FSP - azioni e processi Se x è un’azione e P un processo (x-> P) descrive un processo che inizialmente esegue l’azione x e poi si comporta esattamente come P. ATTIVAZIONEUNICA = (unavolta -> STOP). Convenzione: le azioni hanno lettera iniziale minuscola i PROCESSI hanno lettera iniziale maiuscola

FSP - ricorsione Un comportamento ripetitivo si modella mediante ricorsione: ATTIVAZIONE = OFF, OFF = (on -> ON), ON = (off -> OFF). Definizione più sintetica: ATTIVAZIONE = OFF, OFF = (on -> (off -> OFF)). E ancora: ATTIVAZIONE = (on -> off -> ATTIVAZIONE).

Animazione per mezzo del “tool” LTSA Il programma LTSA può essere usato per produrre una “trace”. Nella rappresentazione LTS associata, l’ultima azione è evidenziata in rosso.

rossogialloverdegiallorossogialloverde … FSP - action prefix modello FSP di un semaforo : SEMAFORO = (rosso->giallo->verde->giallo->SEMAFORO). rosso giallo verde LTS : Reti di Petri rosso giallo verde Trace: rossogialloverdegiallorossogialloverde …

FSP - costrutto di selezione Se x e y sono azioni, (x-> P | y-> Q) descrive un processo che inizialmente realizza una delle due azioni x o y. Dopo l’esecuzione della prima azione, il comportamento successivo è descritto da P se la prima azione è stata x, da Q se la prima azione è stata y. Chi o che cosa compie la scelta? C’è una differenza tra azioni di input e output?

Modello FSP di una macchina distributrice di bevande: FSP - scelta Modello FSP di una macchina distributrice di bevande: DISTRIBUTORE = (rosso->caffè->DISTRIBUTORE |blu-> thè-> DISTRIBUTORE). rosso blu caffè thè Reti di Petri LTS rosso blu caffè thè

Scelta non deterministica Lanciare una moneta Il processo (x-> P | x -> Q) descrive un’azione iniziale x e un comportamento successivo modellato da P o Q. LANCIOMONETA = (lancio->TESTA|lancio->CROCE), TESTA = (vistesta->LANCIOMONETA), TAILS= (viscroce->LANCIOMONETA).

Scelta non deterministica Lanciare una moneta Reti di Petri LTS : lancio vistesta viscroce A) lancio viscroce vistesta lancio vistesta viscroce B)

Modellare errori (eccezioni) Come si può modellare un canale di comunicazione inaffidabile che accetta un input (in) e produce un output solo nel cas in cui non si presenti un errore? Uso del non-determinismo ... CHAN = (in->CHAN |in->out->CHAN). LTS : Reti di Petri in error out

FSP - processi e azioni indicizzati Buffer che prende in input un valore nell’intervallo 0 .. 3 e restituisce in output quel valore: BUFF = (in[i:0..3]-> out[i]-> BUFF). equivalente a: BUFF = (in[0]->out[0]->BUFF |in[1]->out[1]->BUFF |in[2]->out[2]->BUFF |in[3]->out[3]->BUFF ). O, usando un parametro di processo con valore di default: BUFF(N=3) = (in[i:0..N]->out[i]-> BUFF).

FSP - selezione su condizione La selezione (when B x -> P | y -> Q) significa che quando la condizione B è verificata allora è possibile scegliere sia l’azione x sia l’azione y, altrimenti se B non è verificata l’azione x non può essere scelta. COUNT (N=3) = COUNT[0], COUNT[i:0..N] = (when(i<N) inc->COUNT[i+1] |when(i>0) dec->COUNT[i-1] ).

FSP - selezione su condizione Valore 0 inc Valore 1 dec inc Valore 2 dec inc Valore 3 dec