3. Philosophen. Tafelübung zu BSRvS1. Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware. Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund

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1 Tafelübung zu BSRvS1 3. Philosophen Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Agenda Besprechung Aufgabe 2: Mensa Fortsetzung Grundlagen C-Programmierung Aufgabe 3: Die speisenden Philosophen Problemvorstellung Deadlockerkennung Tipps zur Implementierung Herausforderungen Systemcalls BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 2

3 Besprechung Aufgabe 2 Foliensatz Besprechung BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 3

4 Grundlagen C-Programmierung Foliensatz C-Einführung BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 4

5 Die fünf speisenden Philosophen Philosoph 4 Gabel 4 Philosoph 3 Gabel 3 Gabel 0 Philosoph 2 Philosoph 0 Gabel 1 Philosoph 1 Gabel 2 Fünf Philosophen, die nichts anderes zu tun haben, als zu denken und zu essen, sitzen an einem runden Tisch. Denken macht hungrig also wird jeder Philosoph auch essen. Dazu benötigt ein Philosoph jedoch stets beide neben seinem Teller liegenden Gabeln. Prozess Philosoph Betriebsmittel Gabel (unteilbar) BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 5

6 Verklemmte Philosophen? Die drei ersten notwendigen Bedingungen sind erfüllt: 1. mutual exclusion Aus hygienischen Gründen dürfen sich die Philosophen keine Gabeln teilen. 2. hold and wait Die Philosophen hängen vor dem Essen noch so sehr ihren Gedanken nach, dass sie weder echt gleichzeitig nach den Gabeln greifen können, noch auf die Idee kommen, eine Gabel wieder wegzulegen. 3. no preemption Einem anderen Philosophen die Gabel zu entreißen, kommt selbstverständlich nicht in Frage. Aber kommt es wirklich zu einer Verklemmung? BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 6

7 Betriebsmittelbelegungsgraphen (engl. resource allocation graphs)... werden benutzt, um Verklemmungssituationen zu visualisieren und auch automatisch zu erkennen. Beschreiben einen aktuellen Systemzustand Die Knoten sind Prozesse und Betriebsmittel Die Kanten zeigen eine Belegung oder eine Anforderung an P 1 B 1 P 1 B 1 Betriebsmittel B 1 wird durch Prozess P 1 angefordert Prozess P 1 belegt das Betriebsmittel B 1 BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 7

8 A3: Die speisenden Philosophen Philosophenstammtisch 5 Philosophen und Zeus als Aufpasser Philosophen: Denken und Essen Zeus lässt die einzelnen Philosophen am Tisch platz nehmen Jeder nimmt zuerst seine linke Gabel Deadlock, warum? Philosoph 4 Gabel 4 Philosoph 0 Gabel 3 Philosoph 3 Gabel 2 Philosoph 2 Gabel 0 Philosoph 1 Gabel 1 BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 8

9 A3: Betriebsmittelgraph Philosophen BM Gabel ist exklusiv Philosophen nehmen alle erst die linke Gabel und dann warten alle auf die rechte Gabel! Belegung erzeugt einen Zyklus im BM-Graph Was nun? Philosoph 4 Gabel 3 Philosoph 3 Gabel 2 Gabel 4 Philosoph 0 Gabel 0 Philosoph 1 Gabel 1 Philosoph 2 Ph 0 Ph 1 Ph 2 Ph 3 Ph 4 Gabel ist zugeteilt Gabel wird angefordert G 0 G 1 G 2 G 3 G 4 BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 9

10 A3: Erkennen von Verklemmungen Von Natur aus kann ein Philosoph Denken ( Warum ist ein Stuhl ein Stuhl und kein Tisch? ) Essen (Energie für das Möbelproblem) Generell, 2 Zustände: THINKING und EATING Aber: In der Gruppe muss er u.u. auf seine 2. Gabel warten zusätzlicher Zustand: WAITING 1. Gabel nehmen WAITING 1 Warten auf die 2. Gabel 2. Gabel nehmen THINKING 0 EATING 2 beide Gabeln ablegen Alle Philosophen am Tisch sind WAITING Deadlock! BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 10

11 Erkennen von Verklemmungen (2) Analyse der Zustände aller Philosophen mögliche Art der Deadlockerkennung Implementierung 1: In einem SHM-Segment werden die Zustände aller Philosophen in einem int[5] Feld abgelegt Philosophen vermerken ihre Änderungen, Zeus liest die Daten aus dem Feld Problem: Race-Conditions durch fehlende Synchronisation Während Zeus liest, kann ein Philosoph seinen Zustand im Feld verändern Zeus' Sicht wird inkonsistent! BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 11

12 Erkennen von Verklemmungen (3) Implementierung 2: wie 1), aber Zugriff zusätzlich mit einem Semaphor absichern keine Race-Conditions mehr, allerdings sehr aufwändig Allgemeines Problem: Atomares Lesen der Philosophenzustände Idee: Semaphoren zur Speicherung der Zustände Vorteile sind Semaphor ist bekannt und einfach zu handhaben geringer Overhead Praktisch: SystemV Semphormengen eine Menge mit 5 Semaphoren für alle Philosophenzustände Atomares Auslesen aller Semaphorwerte mit semctl und GETALL Kommando BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 12

13 Semaphore, semctl(2) int semctl(semid, SemNr, Kommando, Params); Funktion kann nur einen int Wert zurückgeben, also wie eine Menge von Semaphorwerten abfragen? Params ist ein optionales Argument vom Typ union semun { int val; /* Value for SETVAL */ struct semid_ds *buf; /* Buffer for IPC_STAT, IPC_SET */ unsigned short *array; /* Array for GETALL, SETALL */ struct seminfo * buf; /* Buffer for IPC_INFO (Linux-specific) */ }; Params kann daher ein einfacher int Wert ein Pointer vom Typ struct semid_ds ein Pointer vom Typ unsigned short ein Pointer vom Typ struct seminfo sein. BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 13

14 semctl(2) + GETALL, Beispiel... void read_semaphores(int semid) { unsigned short sem_values[5] = {0}; /* Feld für die Semaphorwerte */ int i; /* atomare Abfrage der Semaphorwerte */ if (semctl(semid, 0, GETALL, sem_values) == 0) { } }... /* alles OK, zum Test ausgeben */ for (i = 0; i < 5; i++) { printf( Philosoph %d ist im Zustand %d.\n, i, sem_values[i]); } Für GETALL wird ein unsigned short Pointer erwartet, Rückgabe der Daten in ein unsigned short Feld Zeus vergleicht im Anschluss die Zustandswerte und startet im Verklemmungsfall Gegenmaßnahmen... BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 14

15 Verklemmungsauflösung Auflösen der Verklemmung durch Entfernen (kill(2)) eines Philosophen, allerdings: Der arme Philosoph nimmt seine Gabel mit ins Grab und somit lässt sich der Deadlock nicht auflösen! Lösung: Es muss vorher vereinbart werden, dass er im Fall der Fälle alle seine Gabeln am Tisch lässt SEM_UNDO Flag für Semaphoroperationen BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 15

16 Semphore: semop(2) + SEM_UNDO Prozess beendet sich (freiwillig oder nicht) alle mit SEM_UNDO Option getätigten Operationen an Semphoren werden rückgängig gemacht! void p() { struct sembuf sop; sop.sem_num = 0; /* Semaphor 0 */ sop.sem_flg = SEM_UNDO; /* Änderung rückgängig machen */ sop.sem_op = -1; /* Dekrement */ if(semop(semid, &sop, 1) == -1) { perror( semop p ); exit(-1); } } Prozess erniedrigt ein Semaphor um n und wird beendet BS erhöht Semaphor automatisch wieder um n Automatische Freigabe von Sperren bei Prozessende Vorsicht bei Verwendung mit zählenden Semaphoren SEM_UNDO bei p()und v() auf einem Semaphor verwenden, ansonsten drohen Inkonsistenzen! BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 16

17 Töte einen Philosophen, 2. Versuch Philosoph verwendet SEM_UNDO Option bei der Belegung und Freigabe einer Gabel Zeus tötet den Prozess dank SEM_UNDO lässt der Philosoph die Gabel am Tisch fallen. Die Gabel kann ein wartender Philosoph aufnehmen Verklemmung aufgelöst BSRvS1: Übung 02 Prozesssynchronisation 17