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, ούτε οι λεπτομέρειες της γλώσσας προγραμματισμού Θέλουμε να κάνουμε παρατηρήσεις που έχουν ισχύ για ένα μεγάλο εύρος συστημάτων 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 δοθεί ο επεξεργαστής 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 «ολόκληρες», χωρίς παρεμβολή άλλων νημάτων Μια ακολουθία εντολών υψηλού επιπέδου δεν είναι ατομική Ακόμα και μια μοναδική εντολή υψηλού επιπέδου δεν είναι απαραίτητα ατομική μπορεί να μεταφράζεται σε μια ακολουθία εντολών χαμηλού επιπέδου (μηχανής) Ακόμα και οι εντολές μηχανής δεν είναι απαραίτητα ατομικές μπορεί να υλοποιούνται εσωτερικά ως συνδυασμός πιο απλών εντολών Υπό ταυτόχρονη εκτέλεση, μπορεί να ακυρωθούν σχέσεις/αλληλουχίες που φαίνονται «εντελώς προφανείς» σε ψηλό επίπεδο π.χ. πηγαίος κώδικας 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 Για την επιτάχυνση της εκτέλεσης, οι τιμές μεταβλητών κρατιούνται συχνά σε καταχωρητές (registers) της CPU ουσιαστικά μια τοπική μνήμη Μπορεί να προκύψουν διάφορα θέματα ασυνέπειας αφού κάθε νήμα μπορεί να αλλάζει τους «δικούς του» καταχωρητές ανεξάρτητα από τα άλλα νήματα 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) Μεταβλητές/δεδομένα πιθανώς να αποθηκεύονται και να διαβάζονται τμηματικά στην / από την μνήμη 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 Ένα απλοποιημένο μοντέλο μνήμης 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 10

11 P1 P2 abstract model CPU local memory load store shared memory load store CPU local memory main memory hardware CPU registers CPU registers cache cache bus ΙΙΙ 11

12 Συνθήκη ανταγωνισμού Έστω ότι ο κώδικας Α αποτελείται από μια σειρά εντολών που θέλουμε να εκτελεστούν χωρίς να παρεμβληθεί η εκτέλεση του κώδικα Β που θεωρείται ανταγωνιστικός ως προς τον κώδικα Α Αν αυτό δεν είναι εγγυημένο, τότε λέμε ότι υπάρχει μια συνθήκη ανταγωνισμού (race condition): η σωστή λειτουργία του κώδικα Α εξαρτάται από το αν τελικά θα υπάρξει ανταγωνισμός και την σειρά της μικτής εκτέλεσης του Α σε σχέση με τον Β Οι συνθήκες ανταγωνισμού είναι ανεπιθύμητες (προκύπτουν εύκολα, εντοπίζονται δύσκολα) Κλασικά προβλήματα: ασυνέπεια δεδομένων καθώς και ατέρμονη αναμονή ΙΙΙ 12

13 P1 i=i+1; load store i load store P2 i=i+1; ΙΙΙ 13 lalis@inf.uth.gr

14 high-level code i=i+1; low-level code load i,tmp add tmp 1 store tmp,i symbolic code tmp=i i=tmp+1 ΙΙΙ 14 lalis@inf.uth.gr

15 int i=0; P1: i=i+1 P2: i=i+1 int i=0; P1: tmp1=i i=tmp1+1 P2: tmp2=i i=tmp2+1 ΙΙΙ 15

16 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 16 lalis@inf.uth.gr

17 P1 P2 rdy=1; WAKEUP; store rdy load if (!rdy) WAIT; ΙΙΙ 17

18 high-level code if (!rdy) WAIT low-level code load rdy,tmp cmp tmp,0 bneq L1 WAIT L1 symbolic code tmp=rdy if (!tmp) WAIT ΙΙΙ 18

19 int data; int rdy=0; P1: data=; rdy=1; WAKEUP; P2: if (!rdy) WAIT; process(data); int data; int rdy=0; P1: data=; rdy=1; WAKEUP; P2: tmp=rdy; if (!tmp) WAIT; process(data); ΙΙΙ 19

20 σενάριο (α) P2: tmp=rdy /* 0 */ P2: if (!tmp) WAIT /*wait*/ P1: data= P1: rdy=1 P1: WAKEUP /* awake */ P2: process(data) το P2 συνεχίζει την εκτέλεση του κανονικά σενάριο (β) P2: tmp=rdy /* 0 */ P1: data= P1: rdy=1 P1: WAKEUP /* nop */ P2: if (!tmp) WAIT /*wait*/ το P2 θα παραμείνει (για πάντα) σε κατάσταση αναμονής Προγραμματισμός ΙΙΙ 20 lalis@inf.uth.gr