Προβλήματα ταυτόχρονης εκτέλεσης (για νήματα με κοινή μνήμη)

Transcript

1 Προβλήματα ταυτόχρονης εκτέλεσης (για νήματα με κοινή μνήμη) ΙΙΙ 1 lalis@inf.uth.gr

2 Υποθέσεις εργασίας Νήματα/διεργασίες με κοινή μνήμη Αυτόματη διακοπή/εναλλαγή νημάτων/διεργασιών (π.χ. πάνω από 1 CPU δεν κάνει μεγάλη διαφορά) Δεν μας απασχολεί (ιδιαίτερα) το υλικό, ούτε οι λεπτομέρειες υλοποίησης σε επίπεδο συστήματος ΙΙΙ 2 lalis@inf.uth.gr

3 Απρόβλεπτη ταυτόχρονη εκτέλεση Ο προγραμματιστής δεν ελέγχει (άμεσα) την εκτέλεση/εναλλαγή των νημάτων/διεργασιών Δεν γνωρίζει πότε θα αρχίσει η εκτέλεση ενός νήματος, ούτε σε ποια σημεία θα διακοπεί η εκτέλεση του νήματος για να γίνει εναλλαγή, ούτε σε ποιο νήμα θα γίνει κάθε εναλλαγή Τα σημεία στα οποία γίνεται η εναλλαγή μπορεί να είναι διαφορετικά σε κάθε νέα εκτέλεση Μπορεί να είναι δύσκολο (πρακτικά αδύνατο) να αναπαραχθεί η ίδια («μικτή») εκτέλεση ΙΙΙ 3 lalis@inf.uth.gr

4 Πρόβλημα στην αποσφαλμάτωση Συμβατική μέθοδος επαλήθευσης ορθότητας: αν το πρόγραμμα επιστρέψει το σωστό αποτέλεσμα Υ για παραμέτρους Χ, τότε θα επιστρέφει Υ κάθε φορά που καλείται με τις ίδιες παραμέτρους Χ Δεν ισχύει: διαφορετικές (μικτές) εκτελέσεις, πιθανώς να δίνουν διαφορετικά αποτελέσματα Συμβατική μέθοδος εντοπισμού σφαλμάτων: αν το πρόγραμμα παρουσιάσει πρόβλημα ή λάθος για παραμέτρους Χ, τότε αυτό θα γίνεται κάθε φορά που καλείται με παραμέτρους Χ Δεν ισχύει: τα λάθη δεν αναπαράγονται εγγυημένα (ίσως να μην εμφανιστούν σε επόμενες εκτελέσεις) ΙΙΙ 4 lalis@inf.uth.gr

5 Πρόβλημα μη ατομικότητας εντολών Ατομικές εντολές: εκτελούνται εγγυημένα χωρίς παρεμβολή εντολών από άλλα νήματα Μια ακολουθία εντολών υψηλού επιπέδου δεν είναι (εγγυημένα) ατομική μετατρέπεται/μεταφράζεται σε μια ακολουθία εντολών χαμηλού επιπέδου Ακόμα και μια μοναδική εντολή υψηλού επιπέδου δεν είναι απαραίτητα (εγγυημένα) ατομική μπορεί να μετατρέπεται/μεταφράζεται σε μια ακολουθία εντολών χαμηλού επιπέδου (μηχανής) Υπό ταυτόχρονη εκτέλεση, μπορεί να ακυρωθούν «προφανείς» σχέσεις/αλληλουχίες ψηλού επιπέδου ΙΙΙ 5 lalis@inf.uth.gr

6 high-level code i=i+1; low-level code load i,reg add reg 1 store reg,i high-level code if (a) S low-level code L1 load a,reg cmp reg,0 breq L1 S ΙΙΙ 6 lalis@inf.uth.gr

7 Πρόβλημα μετάδοσης αλλαγών Οι καταχωρητές είναι ουσιαστικά μια τοπική μνήμη Μπορεί να προκύψουν διάφορα θέματα ασυνέπειας αφού κάθε νήμα μπορεί και αλλάζει τους καταχωρητές του ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα Αλλαγές σε κοινές μεταβλητές δεν είναι εγγυημένα (άμεσα) ορατές ανάμεσα σε διαφορετικά νήματα Χρησιμοποιούνται προσδιοριστές (π.χ., volatile) έτσι ώστε η μεταβλητή να γράφεται / διαβάζεται κάθε φορά στην / από την μνήμη ΙΙΙ 7 lalis@inf.uth.gr

8 high-level code a = 1; a = a + 1; low-level code set reg,1 add reg,1 store reg,a high-level code while (a) {S} low-level code load a,reg L1 cmp reg,0 beq L2 S bra L1 L2 ΙΙΙ 8 lalis@inf.uth.gr

9 Πρόβλημα μετάδοσης αλλαγών (2) Αλλαγές σε μεταβλητές που ξεπερνούν το μέγεθος της «λέξης» της CPU μπορεί να αποθηκεύονται ή/και να διαβάζονται με μη ατομικά long a; a=tmp; store tmp[1],a[1] store tmp[0],a[0] Μπορεί να γίνει «αντιμετάθεση» εντολών, από τον μεταγλωττιστή ή/και τον επεξεργαστή a=1; b=-1 store b,-1 store a,1 ΙΙΙ 9 lalis@inf.uth.gr

10 int a=0; long b=0; P1: a=1; b=-1; P2: res = ( (b==0) (b==-1 && a==1) ); υπό ταυτόχρονη εκτέλεση, η res μπορεί να γίνει 0! ΙΙΙ 10 lalis@inf.uth.gr

11 Ένα απλό μοντέλο μνήμης (load/store) Δεν υπάρχουν καταχωρήτες ούτε κρυφή μνήμη Οι τιμές των καθολικών/κοινών μεταβλητών διαβάζονται ατομικά σε τοπικές μεταβλητές Πράξεις γίνονται μόνο σε τοπικές μεταβλητές Οι τιμές των τοπικών μεταβλητών αποθηκεύονται ατομικά στις καθολικές/κοινές μεταβλητές Εστιάζουμε μόνο στο πρόβλημα της (φανερής) μη ατομικότητας μιας ακολουθίας απλών εντολών (σε σχετικά χαμηλό επίπεδο, κοντά στην μηχανή) Αυτό αρκεί για να μελετηθούν/επιλυθούν τα κύρια προβλήματα του ταυτόχρονου προγραμματισμού ΙΙΙ 11

12 P1 P2 symbolic view CPU local memory load store shared memory load store CPU local memory main memory hardware CPU registers CPU registers cache cache bus ΙΙΙ 12

13 Συνθήκη ανταγωνισμού Έστω ότι στον κώδικα Α υπάρχει ένα κρίσιμο σημείο που αποτελείται από μια σειρά εντολών που θέλουμε να εκτελεστούν ατομικά/συνεχόμενα σε σχέση με τον κώδικα Β που είναι ανταγωνιστικός ως προς τον Α Αν αυτό δεν είναι εγγυημένο, τότε λέμε ότι υπάρχει μια συνθήκη ανταγωνισμού: η σωστή λειτουργία του κώδικα Α εξαρτάται από το αν τελικά θα υπάρξει ανταγωνισμός με τον κώδικα Β Οι συνθήκες ανταγωνισμού είναι γενικά ανεπιθύμητες (και συνήθως είναι προγραμματιστικά λάθη) Μπορεί να οδηγήσουν σε ασυνέπεια δεδομένων καθώς και ατέρμονη αναμονή ΙΙΙ 13

14 P1 i=i+1; load store i load store P2 i=i+1; ΙΙΙ 14 lalis@inf.uth.gr

15 high-level code i=i+1; low-level code load i,reg add reg 1 store reg,i symbolic code tmp=i i=tmp+1 ΙΙΙ 15 lalis@inf.uth.gr

16 int i=0; P1: tmp1=i i=tmp1+1 P2: tmp2=i i=tmp2+1 ΙΙΙ 16

17 σενάριο (α) P1: tmp1=i P1: i=tmp1+1 P2: tmp2=i P2: i=tmp2+1 i = 2 P1: tmp1=i σενάριο (β) P2: tmp2=i P2: i=tmp2+1 P1: i=tmp1+1 i = 1 ΙΙΙ 17 lalis@inf.uth.gr

18 P1 P2 rdy=1; WAKEUP; store rdy load if (!rdy) WAIT; ΙΙΙ 18

19 high-level code if (!rdy) WAIT low-level code load rdy,reg cmp reg,0 bneq L1 WAIT L1 symbolic code tmp=rdy if (!tmp) WAIT ΙΙΙ 19

20 int data; int rdy=0; P1: rdy=1; WAKEUP; P2: tmp=rdy; if (!tmp) WAIT; ΙΙΙ 20

21 P2: tmp=rdy /* 0 */ P2: if (!tmp) WAIT /*wait*/ P1: rdy=1 P1: WAKEUP /* awake */ P2: σενάριο (α) εντάξει σενάριο (β) P2: tmp=rdy /* 0 */ P1: rdy=1 P1: WAKEUP /* nop */ P2: if (!tmp) WAIT /*wait*/ η P2 θα μείνει σε αναμονή (για πάντα) Προγραμματισμός ΙΙΙ 21 lalis@inf.uth.gr