Übung Betriebssysteme 11

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1 Übung Betriebssysteme 11 Christian Motika Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Institut für Informatik AG Echtzeitsysteme / Eingebettete Systeme Kiel, Germany 29-JAN-2013 CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 1 / 23

2 Übung Betriebssysteme 11 Übung Betriebssysteme 11 Christian Motika Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Institut für Informatik AG Echtzeitsysteme / Eingebettete Systeme Kiel, Germany 29-JAN-2013

3 Monitore Monitore - Definition Mechanismus zur Datenabstraktion Gekapselte Representation eines abstrakten Objektes und Operationen (zur Manipulation des Objektes) Objekt-Zustand: Variablen Operationen: Monitor-Prozeduren Implicit Mutual Exclusion: Prozeduren im gleichen Monitor werden nicht-nebenläufig ausgeführt Condition Synchronization im Monitor mit Hilfe von Condition Variables (CV) Monitor wird geteilt von nebenläufig ausgeführten Prozessen CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 2 / 23

4 Monitore Monitore - Eigenschaften Was gilt für Prozesse die einen Monitor benutzen (Monitor-Operationen aufrufen)? 1. Aufrufende Prozesse kann es egal sein wie der Monitor implementiert ist Was gilt für die Programmierung des Monitors? 2. Programmierer eines Monitors kann es egal sein wie/wo der Monitor benutzt wird 1. und 2.? Design eines Monitors und Prozessen die ihn benutzen ist relativ unabhängig! Verglichen mit Semaphoren? Monitore: higher level synchronization technique CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 3 / 23

5 Monitore Condition Variables Verwendet zur Verzögerung von Prozessen (bis ein Monitor-Zustand einer bestimmten Bedingung genügt) Der Wert einer Condition Variable ist eine Warteschlange (von verzögerten Prozessen) Initialwert? Leere Warteschlange Sichtbarkeit? Nicht direkt sichtbar für den Programmierer Operationen auf Condition Variables? wait(cv): Ausführender Prozeß wird verzögert und an das Ende der Warteschlange angehängt signal(cv): Wenn die CV leer ist: kein Effekt. Sonst: Wecke einen Prozeß an der Spitze der Warteschlange auf! CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 4 / 23

6 Monitore Resolving Monitor Paradoxon Aufwecken über signal(cv) führt zu einem Problem! Zwei Prozesse führen aus: 1. weckende Prozeß, 2. geweckte Prozeß Aber: In einem Monitor darf definitionsgemäß immer nur EIN Prozeß gleichzeitig ausführen (nicht-nebenläufige Ausführung) Abhilfe? Signaling Disciplines Signal and Continue Signal and Wait CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 5 / 23

7 Monitore Signaling Disciplines - Signal & Continue Signalisierender Prozeß führt weiter aus Signalisierter Prozeß wartet (auf einen späteren Zeitpunkt, wenn der Monitor frei wird) Non-Preemptive (ausführender Prozeß gibt Kontrolle nicht ab und führt weiter aus) Verwendung in Linux, Java,... Einfacherer formale Semantik (als Signal & Wait) CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 6 / 23

8 Monitore Signaling Disciplines - Signal & Wait Signalisierender Prozeß wartet (auf einen späteren Zeitpunkt, wenn der Monitor frei wird) Signalisierter Prozeß führt weiter aus Preemptive (ausführender Prozeß gibt Kontrolle an aufgeweckten ab) Erste Signaling Discipline, die für Monitore vorgeschlagen wurde CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 7 / 23

9 Monitore Synchronisation in einem Monitor CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 8 / 23

10 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 1 - Mutual Exclusion Eine einspurige Klappbrücke für Autos und Züge (ähnlich derjenigen in Lindaunis an der Schlei) soll modelliert werden. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme 11 9 / 23

11 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 1 - Mutual Exclusion Die Lindaunis-Brücke kann von Autos von Norden nach Süden sowie in umgekehrter Richtung überquert werden. Autos, die in der gleichen Richtung unterwegs sind, dürfen gemeinsam auf der Brücke fahren. Autos in die andere Richtung dürfen dann nicht auf der Brücke sein. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

12 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 1 - Mutual Exclusion Zusätzlich fährt gelegentlich ein Zug über die Brücke; in diesem Fall darf kein anderes Fahrzeug (auch kein zweiter Zug) auf die Brücke. Von Zeit zu Zeit wird die Brücke hoch geklappt, um wartende Segelboote passieren zu lassen. Es ist möglich, dass mehrere Boote zur gleichen Zeit die Brücke passieren und sich dabei auch auf Höhe der Brücke begegnen. Ist die Brücke hochgeklappt, so dürfen natürlich keine Züge und Autos die Brücke befahren. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

13 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 1 - Mutual Exclusion Nutzen Sie als Vorlage für Ihre Lösung folgendes Gerüst 1 // TODO: Semaphore declarations. 2 3 void carnorthtosouth() { 4 // TODO: Critical section entry code. 5 usebridge(); 6 // TODO: Critical section exit code. 7 } 8 9 void carsouthtonorth() { 10 // TODO: Critical section entry code. 11 usebridge(); 12 // TODO: Critical section exit code. 13 } void train() { 16 // TODO: Critical section entry code. 17 usebridge(); 18 // TODO: Critical section exit code. 19 } void boat() { 22 // TODO: Critical section entry code. 23 usebridge(); 24 // TODO: Critical section exit code. 25 } CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

14 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 1 - Mutual Exclusion Pseudocode enthält Platzhalter für Semaphorendeklarationen: Hier sind ebenfalls zusätzliche Deklarationen anderer Variablen erlaubt. Modellieren Sie dieses Problem durch Critical Sections Nutzen Sie Semaphoren für gegenseitigen Ausschluss Gehen Sie dabei davon aus, dass Autos, Züge und Boote durch Threads modelliert sind, die eine der obigen Funktionen aufrufen. Jede dieser Funktionen kann dabei von beliebig vielen Threads gleichzeitig aufgerufen werden, d.h. Ihre Lösung soll für beliebig viele Autos, Züge und Segelboote korrekt funktionieren. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

15 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 1 - Mutual Exclusion Ihre Lösung soll dabei den oben beschriebenen Anforderungen genügen, Busy Waiting vermeiden und insbesondere Deadlocks ausschließen. Ihre Lösung braucht aber Aspekte der Fairness nicht zu berücksichtigen. (siehe Aufgabe 3) Schreiben Sie Ihre Lösung in Pseudocode. Erläutern Sie Ihre Vorgehensweise und zeigen Sie dabei insbesondere, wie und wo die Anforderungen im Code umgesetzt werden. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

16 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 2 - Priorisierung Da Züge bekannterweise einen Fahrplan einhalten müssen, sollen diese bevorzugt werden. Erweitern Sie daher Ihre Methoden aus Aufgabe 1 so, dass kein weiteres Auto bzw. Boot die Brücke passieren darf, wenn ein Zug an die Brücke kommt. Sobald die Brücke frei ist, ist dann der Zug an der Reihe, die Brücke zu überqueren. Diese Aufgabe darf, was den Pseudocode angeht, mit Aufgabe 1 kombiniert werden. Die Argumentation über die Korrektheit sollte davon getrennt geführt werden. Machen Sie im Pseudocode deutlich, wo und wie diese Anforderung umgesetzt wird. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

17 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 3 - Eventual Entry/Fairness Ein fairer Brückencontroller gewährleistet, dass jedes Auto, jeder Zug und jedes Segelboot, welches die Brücke passieren will, dies auch in endlicher Zeit darf und zwar unabhängig davon ob der Scheduler (strongly) fair ist. D.h., Sie können dafür einen Scheduler voraussetzen, der garantiert, dass ein lauffähiger (d.h. nicht blockierter) Thread auch innerhalb endlicher Zeit an die Reihe kommt. Der Scheduler garantiert allerdings nicht, daß Prozesse sich nicht gegenseitig aushungern können. Solch ein Scheduler wird in der Literatur oft als weakly fair bezeichnet. Dies wird als Eventual Entry-Eigenschaft für die betrachtete Critical Section bezeichnet. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

18 Aufgabe 1 Aufgabe 2 Aufgabe 3 Aufgabe 3 - Eventual Entry/Fairness Ein Prozess will die Brücke passieren, wenn er eine der oben angegebenen Funktionen aufruft. Erweitern Sie Ihre Funktionen aus Aufgabe 1 so, dass Eventual Entry sicher gestellt wird. Denken Sie außerdem daran, daß Autos (in einer Richtung), Schiffe und Züge ihresgleichen nicht gegenseitig überholen dürfen. Diese Aufgabe darf, was den Pseudocode angeht, mit Aufgabe 1 kombiniert werden. Die Argumentation über die Korrektheit sollte davon getrennt geführt werden. Machen Sie im Pseudocode deutlich, wo und wie diese Anforderung umgesetzt wird. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

19 Aufgabe 1 - Sleeping Barber Aufgabe 2 - Banker s Algorithm Aufgabe 3 - Scheduling Aufgabe - Sleeping Barber In einem kleinen Dorf gibt es einen kleinen Friseusalon mit genau zwei Türen und ein paar Stühlen. Kunden kommen durch die eine Tür hinein und verlassen den Salon durch die andere. Da der Salon sehr klein ist, kann sich zu jeder Zeit entweder ein Kunde oder der Barbier bewegen, jedoch nie zwei Menschen gleichzeitig. Das Leben des Barbier besteht allein darin, Kunden zu frisieren. Wenn sich allerdings keine Kunden im Salon befinden, so schläft der Barbier in seinem Frisierstuhl. Wenn ein Kunden den Salon betritt und der Barbier gerade schäft, so weckt der Kunde den Barbier, nimmt im Frisierstuhl Platz und schläft dann solange der Barbier ihm die Haare frisiert. Wenn ein Kunde den Salon betritt während der Barbier noch mit einem anderen Kunden beschäftigt ist, so nimmt der neue Kunde auf einem der Wartestühle Platz und schläft dort. Nachdem der Barbier einem Kunden die Haare frisiert hat, öffnet er die Ausgangstüre für den frisierten Kunden und schließt diese, nachdem der Kunde den Salon verlassen hat. Falls es dann wartende (schlafende) andere Kunden gibt, so weckt der Barbier einen davon auf und wartet darauf, daß der Kunde im Frisierstuhl Platz genommen hat. Falls es keinen wartenden Kunden gibt, so nimmt der Barbier selbst dort Platz und wartet schlafend auf das Eintreffen eines neuen Kunden. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

20 Aufgabe 1 - Sleeping Barber Aufgabe 2 - Banker s Algorithm Aufgabe 3 - Scheduling Aufgabe 1 - Sleeping Barber CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

21 Aufgabe 1 - Sleeping Barber Aufgabe 2 - Banker s Algorithm Aufgabe 3 - Scheduling Aufgabe 1 - Sleeping Barber 1 monitor Barber_Shop { 2 int barber = 0, chair = 0, open = 0; 3 cond barber_available # signaled when barber > 0 4 cond chair_occupied; # signaled when chair > 0 5 cond door_open; # signaled when open > 0 6 cond customer_left; # signaled when open == procedure get_haircut() { 9 while (barber == 0) wait(barber_available); 10 barber = barber - 1; 11 chair = chair + 1; signal(chair_occupied); 12 while (open == 0) wait(door_open); 13 open = open - 1; signal(customer_left); 14 } procedure get_next_customer() { 17 barber = barber + 1; signal(barber_available); 18 while (chair == 0) wait(chair_occupied); 19 chair = chair - 1; 20 } procedure finished_cut() { 23 open = open + 1; signal(door_open); 24 while (open > 0) wait(customer_left); 25 } } CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

22 Aufgabe 1 - Sleeping Barber Aufgabe 2 - Banker s Algorithm Aufgabe 3 - Scheduling Aufgabe 1 - Sleeping Barber (a) Einige der while-schleifen können durch if-abfragen ersetzt werden. Ändern Sie den Monitor an den entsprechenden Stellen und begründen Sie für die jeweilige Stelle warum die Ersetzung möglich ist. Nehme hierbei die Signal and Continue Discipline an. (b) Ist der Monitor, wie gegeben, korrekt unter Verwendung der Signal and Wait Discipline? Falls ja begründen Sie dies. Falls nein, ändern Sie den Monitor entsprechend. (c) Ist der Monitor, wie gegeben, korrekt unter Verwendung der Signal and Urgent Wait Discipline? Falls ja begründen Sie dies. Falls nein, ändern Sie den Monitor entsprechend. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

23 Aufgabe 1 - Sleeping Barber Aufgabe 2 - Banker s Algorithm Aufgabe 3 - Scheduling Aufgabe 2 - Banker s Algorithm System mit vier verschiedene Typen von Ressourcen (R0-R3) nonpreemptive Vektor insgesamt im System vorhandener Instanzen der Ressourcen: (7, 9, 9, 6) Stellen Sie mit Hilfe des Banker s Algorithm fest, ob die folgenden beiden Systemzustände safe oder unsafe sind. 1 Prozess R0 R1 R2 R3 2 A 2 / 1 0 / 1 0 / 0 2 / 1 3 B 1 / 6 0 / 1 0 / 1 1 / 5 4 C 0 / 4 1 / 0 0 / 1 0 / 2 5 D 0 / 6 0 / 0 0 / 0 1 / 4 6 E 1 / 5 1 / 1 0 / 1 1 / 2 1 Prozess R0 R1 R2 R3 2 A 3 / 1 1 / 0 0 / 0 0 / 0 3 B 1 / 0 2 / 2 2 / 2 2 / 0 4 C 1 / 0 3 / 0 2 / 0 0 / 5 5 D 0 / 1 1 / 0 0 / 2 2 / 0 6 E 1 / 6 2 / 4 3 / 2 2 / 1 CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23

24 Aufgabe 1 - Sleeping Barber Aufgabe 2 - Banker s Algorithm Aufgabe 3 - Scheduling Aufgabe 3 - Scheduling - BONUS In einem Monoprozessorsystem werden folgende Prozesse zu den angegebenen Zeitpunkten lauffähig: 1 Process Time of Arrival CPU Burst Time P0 10ms 20ms 4 P1 20ms 70ms 5 P2 30ms 60ms Simulieren Sie ein Scheduling nach den in den Teilaufgaben angegebenen Algorithmen (a) First-Come, First-Served (b) Shortest-Job-First (c) Round-Robin, mit Zeitquantum 20ms Geben Sie für jeden Prozess die Turnaround Time (Zeit von Lauffähigkeit bis Ende) an und berechnen Sie für jedes Schedulingverfahren dessen durchschnittliche Turnaround Time. CAU - WS 2012/13 Übung Betriebssysteme / 23