Domenico Cotroneo » 10.Introduzione alla Programmazione Concorrente

Introduzione alla Sincronizzazione dei Processi

Sommario:

• Concorrenza e Race condition
• Tipi di interazione tra i processi
• Modelli di interazione

Programmazione concorrente

Intesa come l’insieme delle tecniche, delle metodologie e degli strumenti necessari per fornire il supporto all’esecuzione di applicazioni software come un insieme di attività svolte simultaneamente.

Elaborazioni concorrenti

Elaborazione (concorrente): attività svolta da una macchina, composta da più elaboratori, quando la stessa esegue un programma (concorrente).

Esempio: Supponiamo di dover scrivere le istruzioni che codificano l’algoritmo di valutazione della seguente espressione aritmetica:

(a-b) * (c+d)+(e*f)

Grafo di precedenza del processo

Concorrenza e Parallelismo

Programmazione concorrente

Primitive per definire attività indipendenti (processi, threads).

Primitive per la comunicazione e sincronizzazione tra attività eseguite in modo concorrente (concorrenza non significa parallelismo).

Concorrenza

Processi concorrenti
Insieme di processi la cui esecuzione si sovrappone nel tempo.
Più in generale:

• in un sistema monoprocessore due processi si dicono concorrenti se la prima operazione di uno comincia prima dell’ultima dell’altro.

… le problematiche

• Comunicazione tra processi
• Risorse condivise
• Sincronizzazione tra processi
• Assegnazione del tempo del processore.

Un semplice Esempio

void echo()
{

chin = getchar();
chout = chin;
putchar(chout);

}

chin e chout sono variabili condivise

Un semplice Esempio: P1 e P2 invocano la medesima funzione echo()

Race Condition

…si dice che per l’esempio precedente occorre una “Race Condition”, ovvero….

una condizione in cui più processi leggono o scrivono dati condivisi e il risultato finale di tali operazioni dipende dall’ordine (e dalla velocità) di esecuzione delle istruzioni dei processi.

Processi Concorrenti

Processi indipendenti

Due processi P1 e P2 sono indipendenti se l’esecuzione di P1 non è influenzata da P2, e viceversa (Proprietà della riproducibilità).

Processi interagenti
Due processi P1 e P2 sono interagenti se l’esecuzione di P1 è influenzata da P2, e viceversa.

• Effetto dell’interazione dipende dalla velocità relativa dei processi.
• Comportamento non riproducibile.

Tipi di interazione

Competizione: per l’uso di risorse comuni che non possono essere utilizzate contemporaneamente (mutua esclusione).

Cooperazione: nell’eseguire un’attività comune mediante scambio di informazioni (comunicazione).

Interferenza: dovuta a competizione tra processi per uso non autorizzato di risorse comuni, oppure ad un erronea soluzione di problemi di competizione e di cooperazione.Si manifesta spesso in modo non deterministico in quanto dovuta alla differente velocità di esecuzione dei processi.

Sincronizzazione

In tutti i casi esaminati, per un corretto funzionamento, è necessario imporre dei vincoli nella esecuzione delle operazioni dei processi.

Vincoli per la sincronizzazione

• Competizione: un solo processo alla volta deve avere accesso alla risorsa comune (sincronizzazione indiretta o implicita).
• Cooperazione: le operazioni eseguite dai processi concorrenti devono seguire una sequenza prefissata (sincronizzazione diretta o esplicita).

Modelli di Interazione

• Modello ad ambiente globale
• Modello ad ambiente locale

Le risorse

Dicesi risorsa un qualunque oggetto, fisico o logico, di cui un processo necessita per portare a termine la sua evoluzione.

Poiché un processo evolve eseguendo istruzioni (o procedure), una risorsa è sempre una entità astratta rappresentata da operandi di istruzioni (o procedure) e il suo uso consiste nell’esecuzione di una delle istruzioni (o procedure) applicabili a detti operandi.

Una risorsa, sia essa fisica o logica, è quindi un oggetto costituito da procedure e da una struttura dati allocati in memoria.

Alcune definizioni

Una risorsa può essere:

• privata o locale: se è dedicata ad un solo processo che è il solo che può operare sulla risorsa;
• comune o globale: se condivisa tra più processi;
• ad uso esclusivo: se deve essere usata da un processo alla volta.

Il gestore delle risorse

Al concetto di risorsa si associa sempre il concetto di gestore, ossia di una entità il cui compito è quello o di consentire agli stessi processi la corretta allocazione delle risorse comuni controllandone il corretto utilizzo, o di utilizzare le risorsa per eseguire le operazioni richieste dai processi.

Il gestore delle risorse fisiche è sempre un componente del S.O. mentre il gestore delle risorse logiche può anche essere un componente di programma utente o lo stesso programmatore.

Strumenti di sincronizzazione

Modello ad ambiente globale:

• semafori e primitive wait e signal.

Modello ad ambiente locale:

• messaggi e primitive send e receive.