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 Ταυτόχρονη εκτέλεση Ο προγραμματιστής δεν ελέγχει (άμεσα) την εκτέλεση/εναλλαγή των νημάτων Δεν γνωρίζει πότε θα αρχίσει η εκτέλεση ενός νήματος Ούτε σε ποια σημεία 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 2 lalis@inf.uth.gr

3 Ταυτόχρονη εκτέλεση με μόνο 1 CPU Το γεγονός ότι δύο (ή περισσότερες) διεργασίες εκτελούνται πάνω από την ίδια CPU δεν λύνει το πρόβλημα της απρόβλεπτης σειράς εκτέλεσης παρότι δεν υπάρχει πραγματική παράλληλη εκτέλεση Εξακολουθούμε να μην γνωρίζουμε την σειρά με την οποία θα εκτελεστούν οι εντολές τους Ούτε είναι σίγουρο ότι αυτή η σειρά θα είναι ίδια κάθε φορά που θα επαναλαμβάνουμε την εκτέλεση Το πρόβλημα της απρόβλεπτης σειράς εκτέλεσης παραμένει ακόμα και σε συστήματα με έναν μοναδικό επεξεργαστή ΙΙΙ 3 lalis@inf.uth.gr

4 χρόνος (α) (β) (γ) ΙΙΙ 4 lalis@inf.uth.gr

5 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 5 lalis@inf.uth.gr

6 Πρόβλημα μη ατομικότητας εντολών Ατομικές εντολές: εκτελούνται εγγυημένα χωρίς παρεμβολή εντολών από άλλα νήματα Μια ακολουθία από εντολές ψηλού επιπέδου προφανώς δεν είναι ατομική Ακόμα και μια μοναδική εντολή ψηλού επιπέδου δεν είναι απαραίτητα ατομική (σε χαμηλό επίπεδο) Υπό ταυτόχρονη εκτέλεση, μπορεί να ακυρωθούν «προφανείς» σχέσεις/αλληλουχίες ψηλού επιπέδου ΙΙΙ 6 lalis@inf.uth.gr

7 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 7 lalis@inf.uth.gr

8 high-level code if (a) S low-level code L1 load a,reg cmp reg,0 breq L1 S symbolic code tmp=a if (tmp) S ΙΙΙ 8 lalis@inf.uth.gr

9 Πρόβλημα μετάδοσης αλλαγών Μια μεταβλητή μπορεί να κρατιέται σε καταχωρητή Υπό ταυτόχρονη εκτέλεση, η τιμή του καταχωρητή ενός νήματος μπορεί να είναι παλιά λόγω καθυστέρησης μετάδοσης των αλλαγών από τους καταχωρητές προς και από την κοινή μνήμη 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 9 lalis@inf.uth.gr

10 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) {} low-level code load a,reg L1 cmp reg,0 breq L1 ΙΙΙ 10 lalis@inf.uth.gr

11 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 τον επεξεργαστή a=1; b=-1 store b,-1 store a,1 ΙΙΙ 11

12 int a=0; long b=0; P1: a=1; b=-1; P2: tmp =( (b==0) (b==-1 && a==1) ); υπό ταυτόχρονη εκτέλεση, η tmp μπορεί να γίνει 0! ΙΙΙ 12

13 Ένα απλό μοντέλο μνήμης Δεν υπάρχουν καταχωρήτες ούτε κρυφή μνήμη Οι τιμές των καθολικών/κοινών μεταβλητών αντιγράφονται σε τοπικές μεταβλητές Πράξεις γίνονται μόνο σε τοπικές μεταβλητές Οι τιμές των τοπικών μεταβλητών αντιγράφονται πίσω στις καθολικές/κοινές μεταβλητές Για απλούς τύπους δεδομένων, η αντιγραφή από και προς την κοινή μνήμη γίνεται ατομικά Εστιάζουμε μόνο στο πρόβλημα της (φανερής) μη ατομικότητας μιας ακολουθίας εντολών Αυτό αρκεί για να μελετηθούν/επιλυθούν τα κύρια προβλήματα του ταυτόχρονου προγραμματισμού ΙΙΙ 13

14 P1 P2 symbolic view local local local load store global global global load store local local local main memory hardware CPU registers CPU registers cache cache bus ΙΙΙ 14

15 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 15

16 P1 i=i+1; i P2 i=i+1; ΙΙΙ 16 lalis@inf.uth.gr

17 int i=0; P1: tmp1=i i=tmp1+1 P2: tmp2=i i=tmp2+1 ΙΙΙ 17

18 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 18 lalis@inf.uth.gr

19 P1 rdy=1; WAKEUP(); rdy P2 if (!rdy) 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

22 Απόδειξη ιδιοτήτων Ιδανικά, η ορθότητα ενός ταυτόχρονου προγράμματος (συστήματος) πρέπει να επαληθευθεί συστηματικά Αυτό δεν μπορεί να γίνει μέσω «τυχαίων» δοκιμών Χρειάζεται διεξοδικός έλεγχος όλων των πιθανών σεναρίων μικτής εκτέλεσης Ιδιότητες ασφάλειας (safety properties): το σύστημα δεν θα εισέλθει ποτέ σε μια ανεπιθύμητη κατάσταση Ιδιότητες προόδου (progress properties): το σύστημα θα φτάσει κάποια στιγμή σε μια επιθυμητή κατάσταση ΙΙΙ 22

23 Διάγραμμα καταστάσεων Οι πιθανές εκτελέσεις ενός ταυτόχρονου συστήματος περιγράφονται με την μορφή ενός γράφου G=(V,E) Ο κόμβος v i V αντιστοιχεί σε μια πιθανή κατάσταση Η κατευθυνόμενη ακμή e=(v i,v j ) E αντιστοιχεί σε μια πιθανή μετάβαση από την κατάσταση v i στην v j Οι μεταβάσεις πραγματοποιούνται μέσα από εντολές που θεωρούμε ότι πραγματοποιούνται ατομικά Μια πιθανή εκτέλεση x={v 0,v 1,v 2,} είναι μια διαδρομή κατά μήκος των ακμών του γράφου v 0 =InitState (v 0,v 1 ) E (v 1,v 2 ) E ΙΙΙ 23 lalis@inf.uth.gr

24 πιθανή κατάσταση αρχική κατάσταση πιθανή μετάβαση πιθανή εκτέλεση ΙΙΙ 24

25 Επαλήθευση ιδιοτήτων Ιδιότητα ασφάλειας (safety property) safety-property Φ Για κάθε κατάσταση v i ισχύει Φ(v i ) Ιδιότητα προόδου (progress property) progress-property Φ1 Φ2 Αν υπάρχει κατάσταση v i που να ισχύει Φ1(v i ), τότε κάθε διαδρομή/εκτέλεση που περνάει από την v i περνάει στην συνέχεια, μέσα από μια ή περισσότερες μεταβάσεις, από μια κατάσταση v j για την οποία να ισχύει Φ2(v j ) ΙΙΙ 25 lalis@inf.uth.gr

26 safety-property Φ ΙΙΙ 26 lalis@inf.uth.gr

27 progress-property Φ1 Φ ΙΙΙ 27 lalis@inf.uth.gr

28 int i=0; P1: 1: tmp1=i 2: i=tmp1+1 P2: 1: tmp2=i 2: i=tmp2+1 Επιθυμητή ιδιότητα: τελικά, η i να είναι 2 ΙΙΙ 28 lalis@inf.uth.gr

29 #εντολής P2 #εντολής P1 i tmp1 tmp2 -,- 0,-,- 1,- 0,0,- -,1 0,-,0 2,- 1,0,- 1,1 0,0,0 -,2 1,-,0 2,1 1,0,1 2,1 1,0,0 1,2 1,0,0 ρ 1,2 1,1,0 2,2 2,0,1 2,2 1,0,0 2,2 2,1,0 Προγραμματισμός ΙΙΙ 29 lalis@inf.uth.gr

30 int rdy=0; shadow w=0; P1: /* prepare data */ 1: rdy=1; 2: if (w) w=0; WAKEUP(); P2: 1: tmp=rdy; 2: if (tmp) noop(); else w=1; WAIT(); /* use data */ Επιθυμητή ιδιότητα: τελικά, η w να είναι 0 ΙΙΙ 30 lalis@inf.uth.gr

31 #εντολής P2 #εντολής P1 rdy tmp w -,- 0,-,0 1,- 1,-,0 -,1 0,0,0 2,- 1,-,0 1,1 1,1,0 1,1 1,0,0 -,2 0,0,1 2,1 1,1,0 2,2 1,1,0 1,2 1,1,0 ρ 2,1 1,0,0 2,2 1,0,1 1,2 1,0,1 2,2 1,0,0 ρ ΙΙΙ 31 lalis@inf.uth.gr