1 Lucidi delle esercitazioni di Sistemi di Elaborazione in Rete Università degli Studi della Calabria Corso di Laurea in Ingegneria Gestionale A.A. 2003/2004

2 Concetto di processo Nei primi sistemi di calcolo era consentita lesecuzione di un solo programma alla volta. Tale programma aveva il completo controllo del sistema e accesso a tutte le sue risorse. Gli attuali sistemi di calcolo consentono, invece, che più programmi siano caricati in memoria ed eseguiti concorrentemente. Essi sono detti sistemi time-sharing o multitasking. In tali sistemi più programmi vengono eseguiti dalla CPU, che commuta la loro esecuzione con una frequenza tale da permettere agli utenti di interagire con ciascun programma durante la sua esecuzione. Lunità di lavoro dei moderni sistemi time-sharing è il processo.

3 Definizione di processo Un processo può essere definito come un programma in esecuzione. Un processo esegue le proprie istruzioni in modo sequenziale, ovvero in qualsiasi momento viene eseguita al massimo unistruzione del processo. Un programma di per sé non è un processo: un programma è unentità passiva, come il contenuto di un file memorizzato su disco, mentre un processo è una entità attiva, con un program counter che specifica lattività attuale (ovvero, quale sia la prossima listruzione da eseguire) ed un insieme di risorse associate. Due processi possono essere associati allo stesso programma, ma sono da considerare due sequenze di esecuzione distinte.

4 Processi indipendenti e cooperanti I processi in esecuzione nel sistema operativo possono essere indipendenti o cooperanti: Un processo è indipendente se non può influire su altri processi nel sistema o subirne linflusso. Un processo che non condivida dati temporanei o permanenti con altri processi è indipendente. Un processo è cooperante se influenza o può essere influenzato da altri processi in esecuzione nel sistema. Ovviamente, qualsiasi processo che condivida dati con altri processi è un processo cooperante.

5 Cooperazione tra processi Ci sono diversi motivi per fornire un ambiente che consenta la cooperazione tra processi: Condivisione di informazioni. Consente a più utenti di condividere le stesse informazioni (ad esempio un file). Accelerazione del calcolo. Si divide un problema in sottoproblemi che possono essere eseguiti in parallelo. Unaccelerazione di questo tipo è ottenibile solo se il computer dispone di più elementi di elaborazione (come più CPU o canali di I/O) Modularità. Consente la realizzazione di un sistema modulare che divide le funzioni in processi distinti.

6 Thread Un thread, anche detto lightweight process, è un flusso sequenziale di esecuzione di istruzioni allinterno di un programma/processo. In un programma si possono far partire più thread che sono eseguiti concorrentemente. Nei computer a singola CPU la concorrenza viene simulata con una politica di scheduling che alterna l'esecuzione dei singoli thread. Tutti i thread eseguono allinterno del contesto di esecuzione di un solo processo, ovvero condividono le stesse variabili del programma. Ciascun processo tradizionale, o heavyweight, ha invece il proprio contesto di esecuzione.

7 Thread in Java Tutti i programmi Java comprendono almeno un thread. Anche un programma costituito solo dal metodo main viene eseguito come un singolo thread. Inoltre, Java fornisce strumenti che consentono di creare e manipolare thread aggiuntivi nel programma Esistono due modi per implementare thread in Java: Definire una sottoclasse della classe Thread. Definire una classe che implementa linterfaccia Runnable. Questa modalità è più flessibile, in quanto consente di definire un thread che è sottoclasse di una classe diversa dalla classe Thread.

8 Definire una sottoclasse della classe Thread 1.Si definisce una nuova classe che estende la classe Thread. La nuova classe deve ridefinire il metodo run() della classe Thread. 2.Si crea unistanza della sottoclasse tramite new. 3.Si chiama il metodo start() sullistanza creata. Questo determina linvocazione del metodo run() delloggetto, e manda in esecuzione il thread associato.

9 Esempio di sottoclasse di Thread class Saluti extends Thread { public Saluti(String nome) { super(nome); } public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) System.out.println("Ciao da "+getName()); } public class ThreadTest { public static void main(String args[]) { Saluti t = new Saluti("Primo Thread"); t.start(); }

10 Definire una classe che implementa Runnable 1.Si definisce una nuova classe che implementa linterfaccia Runnable. La nuova classe deve implementare il metodo run() dellinterfaccia Runnable. 2.Si crea unistanza della classe tramite new. 3.Si crea unistanza della classe Thread, passando al suo costruttore un riferimento allistanza della nuova classe definita. 4.Si chiama il metodo start() sullistanza della classe Thread creata, determinando linvocazione del metodo run() delloggetto Runnable associato.

11 Esempio di classe che implementa Runnable class Saluti implements Runnable { private String nome; public Saluti(String nome) { this.nome = nome; } public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) System.out.println("Ciao da "+nome); } public class RunnableTest { public static void main(String args[]) { Saluti s = new Saluti("Secondo Thread"); Thread t = new Thread (s); t.start(); }

12 La classe Thread (1) Costruttori principali: Thread (): crea un nuovo oggetto Thread. Thread (String name): crea un nuovo oggetto Thread con nome name. Thread (Runnable target): crea un nuovo oggetto Thread a partire dalloggetto target. Thread (Runnable target, String name): crea un nuovo oggetto Thread con nome name a partire dalloggetto target. Metodi principali: String getName(): restituisce il nome di questo Thread. void join() throws InterruptedException: attende fino a quando questo Thread non termina lesecuzione del proprio metodo run.

13 La classe Thread (2) void join(long millis) throws InterruptedException: attende, per un tempo massimo di millis millisecondi, fino a quando questo Thread non termina lesecuzione del proprio metodo run. void run(): specifica le operazioni svolte dal Thread. Deve essere ridefinito dalla sottoclasse, altrimenti non effettua alcuna operazione. Se il Thread è stato costruito a partire da un oggetto Runnable, allora verrà invocato il metodo run di tale oggetto. static void sleep(long millis) throws InterruptedException: determina linterruzione dellesecuzione del Thread corrente per un tempo di millis millisecondi. void start(): fa partire lesecuzione del Thread. Viene invocato il metodo run di questo Thread. static void yield(): determina linterruzione temporanea del Thread corrente, e consente ad altri Thread di essere eseguiti.

14 La classe Thread (3) static Thread currentThread(): restituisce un riferimento alloggetto Thread attualmente in esecuzione. void setPriority(int newPriority): cambia la priorità di questo Thread. int getPriority(): restituisce la priorità di questo Thread. Costanti della classe: static final int MAX_PRIORITY: la massima priorità (pari a 10) che un Thread può avere. static final int MIN_PRIORITY: la minima priorità (pari ad 1) che un Thread può avere. static final int NORM_PRIORITY: la priorità (pari a 5) che viene assegnata di default ad un Thread.

15 Ciclo di vita di un Thread New: subito dopo listruzione new le variabili sono state allocate e inizializzate; il thread è in attesa di passare nello stato Runnable. Runnable: il thread è in esecuzione o in coda di attesa per ottenere lutilizzo della CPU. Not Runnable: il thread non può essere messo in esecuzione dallo scheduler. Entra in questo stato quando è in attesa di operazioni di I/O, oppure dopo linvocazione del metodo sleep(), o del metodo wait(), che verrà discusso in seguito. Dead: al termine dellesecuzione del suo metodo run(). NewRunnableNot Runnable Dead start() Il metodo run() termina yield()

16 Scheduling dei Thread La Java Virtual Machine (JVM) è in grado di eseguire una molteplicità di thread su una singola CPU: lo scheduler della JVM sceglie il thread in stato Runnable con priorità più alta; se più thread in attesa di eseguire hanno uguale priorità, la scelta dello scheduler avviene con una modalità ciclica (round-robin). Il thread messo in esecuzione dallo scheduler viene interrotto se e solo se: il metodo run termina lesecuzione; il thread esegue yield(); un thread con priorità più alta diventa Runnable; il quanto di tempo assegnato si è esaurito (solo su sistemi che supportano time-slicing).

17 Un programma sequenziale (1) class Printer { private int from; private int to; public Printer (int from, int to) { this.from = from; this.to = to; } public void print () { for (int i = from; i <= to; i++) System.out.print (i+"\t"); } public class PrinterApp { public static void main (String args[]) { Printer p1 = new Printer (1,10); Printer p2 = new Printer (11,20); p1.print(); p2.print(); System.out.println ("Fine"); }

18 Un programma sequenziale (2) Lesecuzione di PrinterApp genera sempre il seguente output: Fine I metodi: p1.print() p2.print() System.out.println(Fine) sono eseguiti in modo sequenziale.

19 Un programma threaded (1) class TPrinter extends Thread { private int from; private int to; public TPrinter (int from, int to) { this.from = from; this.to = to; } public void run () { for (int i = from; i <= to; i++) System.out.print (i+"\t"); } public class TPrinterApp { public static void main (String args[]) { TPrinter p1 = new TPrinter (1,10); TPrinter p2 = new TPrinter (11,20); p1.start(); p2.start(); System.out.println ("Fine"); }

20 Un programma threaded (2) Lesecuzione di TPrinterApp potrebbe generare il seguente output: Fine oppure: Fine oppure: Fine e così via: non è possibile fare alcuna assunzione sulla velocità relativa di esecuzione dei thread. Lunica certezza è che le operazioni allinterno di un dato thread procedono in modo sequenziale.

21 Imporre la sequenzialità Per imporre la sequenzialità nellesecuzione dei diversi thread si può fare uso del metodo join(). public class TPrinterApp { public static void main (String args[]) { TPrinter p1 = new TPrinter (1,10); TPrinter p2 = new TPrinter (11,20); p1.start(); try { p1.join(); } catch (InterruptedException e) { System.out.println(e); } p2.start(); try { p2.join(); } catch (InterruptedException e) { System.out.println(e); } System.out.println ("Fine"); } public class PrinterApp { public static void main (String args[]) { Printer p1 = new Printer (1,10); Printer p2 = new Printer (11,20); p1.print(); p2.print(); System.out.println ("Fine"); }

22 Somma in concorrenza (1) class Sommatore extends Thread { private int da; private int a; private int somma; public Sommatore (int da, int a) { this.da = da; this.a = a; } public int getSomma() { return somma; } public void run () { somma = 0; for (int i = da; i <= a; i++) somma += i; }

23 Somma in concorrenza (2) public class Sommatoria { public static void main (String args[]) { int primo = 1; int ultimo = 100; int intermedio = (primo+ultimo)/2; Sommatore s1 = new Sommatore (primo,intermedio); Sommatore s2 = new Sommatore (intermedio+1,ultimo); s1.start(); s2.start(); try { s1.join(); s2.join(); } catch (InterruptedException e) { System.out.println (e); } System.out.println (s1.getSomma()+s2.getSomma()); }

24 Thread con attività ciclica (1) Ciclo finito: public void run () { for (int i = 0; i < n; i++) { istruzioni } Ciclo infinito: public void run () { while (true) { istruzioni }

25 Thread con attività ciclica (2) Ciclo con terminazione: class myThread extends Thread { private boolean continua; public myThread () { continua = true; } public void termina () { continua = false; } public void run () { while (continua) { istruzioni }

26 Sincronizzazione dei Processi (1 a parte) Introduzione Il problema della sezione critica Soluzioni hardware per la sincronizzazione Semafori

27 Introduzione Laccesso concorrente a dati condivisi può portare allinconsistenza dei dati. Per garantire la consistenza dei dati sono necessari meccanismi per assicurare lesecuzione ordinata dei processi cooperanti.

28 Bounded-Buffer (1) Dati condivisi class item {... } … int BUFFER_SIZE = 10; item buffer[] = new item [BUFFER_SIZE]; int in = 0; int out = 0; int counter = 0; …

29 Bounded-Buffer (2) Processo produttore item nextProduced; while (true) { nextProduced = new item (…); while (counter == BUFFER_SIZE) ; /* do nothing */ buffer[in] = nextProduced; in = (in + 1) % BUFFER_SIZE; counter++; }

30 Bounded-Buffer (3) Processo consumatore item nextConsumed; while (true) { while (counter == 0) ; /* do nothing */ nextConsumed = buffer[out]; out = (out + 1) % BUFFER_SIZE; counter--; }

31 Bounded-Buffer (4) Le istruzioni: counter++; counter--; devono essere eseguite atomicamente. Una operazione atomica è una operazione che si completa nella sua interezza senza interruzioni.

32 Bounded-Buffer (5) Listruzione counter++ può essere implementata in linguaggio macchina come: register1 = counter register1 = register1 + 1 counter = register1 Listruzione counter-- può essere implementata come: register2 = counter register2 = register2 – 1 counter = register2

33 Bounded-Buffer (6) Nel caso in cui il produttore ed il consumatore cercassero di aggiornare il buffer contemporaneamente, le istruzioni in linguaggio assembly potrebbero risultare interfogliate (interleaved). Linterleaving dipende da come i due processi produttore e consumatore sono schedulati.

34 Bounded-Buffer (7) Si assuma che counter sia inizialmente 5. Un possibile interleaving delle istruzioni è: producer: register1 = counter (register1 = 5) producer: register1 = register1 + 1 (register1 = 6) consumer: register2 = counter (register2 = 5) consumer: register2 = register2 – 1 (register2 = 4) producer: counter = register1 (counter = 6) consumer: counter = register2 (counter = 4) Il valore di counter potrebbe essere o 4 o 6, mentre il valore corretto dovrebbe essere 5.

35 Race Condition Race condition: la situazione in cui più processi accedono e manipolano dati condivisi in modo concorrente. Il valore finale dei dati condivisi dipende da quale processo ha finito per ultimo. Per eliminare le race condition, i processi concorrenti devono essere sincronizzati.

36 Il problema della sezione critica n processi che competono per usare dati condivisi. Ciascun processo ha un segmento di codice, chiamato sezione critica, nel quale i dati condivisi sono acceduti. Problema: garantire che quando un processo è in esecuzione nella sua sezione critica, nessun altro processo sia autorizzato ad eseguire la propria sezione critica.

37 Soluzione al problema della sezione critica Devono essere soddisfatti i seguenti requisiti: 1) Mutua esclusione. Se il processo P i è in esecuzione nella propria sezione critica, nessuna altro processo può essere in esecuzione nella sua sezione critica. 2) Progresso. se nessun processo è in esecuzione nella propria sezione critica, allora soltanto i processi che cercano di entrare nella sezione critica partecipano alla decisione di chi entrerà davvero, e questa decisione deve avvenire in un tempo finito. 3) Attesa limitata. Deve esistere un limite nel numero di volte che altri processi sono autorizzati ad entrare nelle rispettive sezioni critiche dopo che un processo P i ha fatto richiesta di entrare nella propria sezione critica e prima che quella richiesta sia soddisfatta. Si assume che ciascun processo esegua a velocità non nulla Nessuna assunzione deve essere fatta sulla velocità relativa degli n processi.

38 Sezione critica: soluzioni Soltanto 2 processi, P 0 e P 1 Struttura generale del processo P i while (true) { entry section sezione critica exit section sezione non critica } I processi possono far uso di variabili condivise per sincronizzare le loro azioni.

39 Monitor (1) Costrutti di sicronizzazione di alto livello che consentono la condivisione sicura di un tipo di dati astratto tra processi concorrenti. monitor monitor-name { dichiarazione di variabili condivise procedure entry P1 (…) {... } procedure entry P2 (…) {... } procedure entry Pn (…) {... } monitor-name (…) { codice di inizializzazione }

40 Monitor (2) Per consentire ad un processo di attendere allinterno di un monitor, si deve dichiarare una variabile condition: condition x, y; Una variabile condition può essere manipolata solo attraverso le operazioni wait e signal. Loperazione x.wait(); sospende il processo che la invoca fino a quando un altro processo non invoca: x.signal(); Loperazione x.signal risveglia esattamente un processo. Se nessun processo è sospeso loperazione di signal non ha effetto.

41 Rappresentazione concettuale di un Monitor

42 Monitor di Hoare e di Hansen Supponiamo che un processo P esegua x.signal, ed esista un processo sospeso Q associato alla variabile condition x. Dopo la signal, occorre evitare che P e Q risultino contemporaneamente attivi allinterno del monitor: Hansen: Q attende che P lasci il monitor o si metta in attesa su unaltra variabile condition. Hoare: P attende che Q lasci il monitor o si metta in attesa su unaltra variabile condition. Questa soluzione è preferibile: infatti consentendo al processo P di continuare (soluzione di Hansen), la condizione logica attesa da Q può non valere più nel momento in cui Q viene ripreso. Una soluzione di compromesso: P deve lasciare il monitor nel momento stesso dellesecuzione delloperazione signal, in quanto viene immediatamente ripreso il processo Q. Questo modello è meno potente di quello di Hoare, perchè un processo non può effettuare una signal più di una volta allinterno di una stessa procedura.

43 Monitor in Java (1) Tutti i thread che fanno parte di una determinata applicazione Java condividono lo stesso spazio di memoria, quindi è possibile che più thread accedano contemporaneamente allo stesso metodo o alla stessa sezione di codice di un oggetto. Per evitare inconsistenze, e garantire meccanismi di mutua esclusione e sincronizzazione, Java supporta la definizione di oggetti monitor. In Java, un monitor è listanza di una classe che definisce uno o più metodi synchronized. E possibile definire anche soltanto una sezione di codice (ovvero un blocco di istruzioni) come synchronized. In Java ad ogni oggetto è automaticamente associato un lock: per accedere ad un metodo o a una sezione synchronized, un thread deve prima acquisire il lock delloggetto. Il lock viene automaticamente rilasciato quando il thread esce dal metodo o dalla sezione synchronized, o se viene interrotto da uneccezione. Un thread che non riesce ad acquisire un lock rimane sospeso sulla richiesta della risorsa fino a quando il lock non diventa disponibile.

44 Monitor in Java (2) Ad ogni oggetto contenente metodi o sezioni synchronized viene assegnata una sola variabile condition, quindi due thread non possono accedere contemporaneamente a due sezioni synchronized diverse di uno stesso oggetto. Lesistenza di una sola variabile condition per ogni oggetto rende il modello Java meno espressivo di un vero monitor, che presuppone la possibilità di definire più sezioni critiche per uno stesso oggetto.

45 Monitor in Java (3) Ogni oggetto Java fornisce un insieme di metodi di sincronizzazione: void wait() throws InterruptedException: blocca lesecuzione del thread invocante, in attesa che un altro thread invochi i metodi notify() o notifyAll() sullo stesso oggetto monitor. Prima di bloccare la propria esecuzione il thread rilascia il lock. void wait(long timeout) throws InterruptedException: è una variante di wait(). Blocca lesecuzione del thread invocante, che viene risvegliato o dallinvocazione dei metodi notify() o notifyAll(), o quando sia trascorso un tempo pari a timeout millisecondi. Linvocazione di wait(0) equivale allinvocazione di wait(). void notify(): risveglia un unico thread in attesa sulloggetto monitor corrente. Se più thread sono in attesa, la scelta avviene in maniera arbitraria, dipendente dallimplementazione della Java Virtual Machine. Il thread risvegliato compete con ogni altro thread, come di norma, per ottenere la risorsa condivisa. void notifyAll(): esattamente come notify(), ma risveglia tutti i thread in attesa sulloggetto corrente. È necessario tutte le volte in cui più thread possano essere sospesi su differenti sezioni critiche dello stesso oggetto (in quanto esiste una unica coda dattesa).

46 Bounded Buffer con sincronizzazione Java (1) public class BoundedBuffer { private int buffer[]; private int in=0, out=0, count=0, dim; public BoundedBuffer (int dim) { this.dim=dim; buffer=new int[dim]; } public synchronized int get () { /* lucidi seguenti */ } public synchronized void put (int item) { /* lucidi seguenti */ }

47 Bounded Buffer con sincronizzazione Java (2) public synchronized int get () { while (count==0) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } int item = buffer[out]; out=(out+1)%dim; count--; notifyAll(); return item; }

48 Bounded Buffer con sincronizzazione Java (3) public synchronized void put (int item) { while (count==dim) { try { wait(); } catch (InterruptedException e) { } } buffer[in] = item; in=(in+1)%dim; count++; notifyAll(); }

49 Bounded Buffer con sincronizzazione Java (4) public class Consumer extends Thread { private BoundedBuffer buffer; private int id; public Consumer (BoundedBuffer buffer, int id) { this.buffer = buffer; this.id = id; } public void run () { for (int i=0; i<10; i++) { int value = buffer.get(); System.out.println ("Consumer #"+id+" ha estratto "+value); }

50 Bounded Buffer con sincronizzazione Java (5) public class Producer extends Thread { private BoundedBuffer buffer; private int id; public Producer (BoundedBuffer buffer, int id) { this.buffer = buffer; this.id = id; } public void run () { for (int i=0; i<10; i++) { buffer.put(i); System.out.println ("Producer #"+id+" ha inserito "+i); }

51 Bounded Buffer con sincronizzazione Java (6) public class BBTest { public static void main (String args[]) { BoundedBuffer bb = new BoundedBuffer (10); Producer pv[] = new Producer [5]; for (int i = 0; i < 5; i++) { pv[i] = new Producer (bb,i); pv[i].start(); } Consumer cv[] = new Consumer [9]; for (int i = 0; i < 9; i++) { cv[i] = new Consumer (bb,i); cv[i].start(); }