Universität Stuttgart Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner. Übung 5: Semaphoren

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1 Universität Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. P. Göhner Aufgabe 5.1: Übung 5: Semaphoren Semaphor-Operationen In Bild ist die Anordnung von Semaphor-Operationen am Anfang und am e der asks A,B,C dargestellt. Ermitteln Sie für die 4 Fälle a, b, c, d der abelle 5.1.1, ob und in welcher Reihenfolge diese asks bei der angegebenen Initialisierung der Semaphor-Variablen ablaufen. ask A ask B ask C P(SA) P(SB) P(SC) P(SA). P(SC) P(SA). P(SC).. V(SC) V(SB) V(SB) V(SA) V(SB) END END END Bild 5.1.1: Anordnung der Semaphor-Operationen Fall a) b) c) d) SA SB SC abelle 5.1.1: Anfangswerte der Semaphor-Variablen Aufgabe 5.2: Synchronisierung mittels Semaphoren Ein Fertigungssystem, das aus 3 eilprozessen besteht, soll durch ein Programm automatisiert werden, das folgende 4 asks enthält: UEBERWACHEN1, UEBERWACHEN2, UEBERWACHEN3 zum Einlesen von spezifischen Werten der jeweiligen eilprozesse. PROOKOLL zum Ausgeben der Messwerte in Form von abellen und Diagrammen auf einen Drucker.

2 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 2 Durch eine geeignete Synchronisierung mittels Semaphoren soll der folgende Ablauf der asks erzwungen werden: Nach jeder Überwachungstask soll die Protokolliertask ablaufen. Die Reihenfolge der Überwachungstasks untereinander ist durch die Zahl in ihrem Namen festgelegt. UEBERWACHEN1 läuft demnach als erste ask. Der oben vorgegebene Ablauf soll zyklisch ablaufen können. Das Programm jeder ask soll vollständig abgearbeitet sein, bevor eine andere ask gestartet werden kann. a) Schreiben Sie die Namen der asks in der geforderten Ablauf-Reihenfolge auf. b) Führen Sie in jeder ask die erforderlichen Synchronisierungsoperationen ein, mit denen die geforderte Reihenfolge sichergestellt ist. c) Wie müssen die von Ihnen benutzten Semaphor-Variablen initialisiert werden? Aufgabe 5.3: Semaphor-Operationen In den beiden asks NEUWER und BERECHNEN wird auf ein Datenfeld namens QUEUE zugegriffen (Siehe Bild 5.3.1): In der ask NEUWER erfolgen ein schreibender Zugriff (Prozedur SCHREIBEN): In der ask BERECHNEN erfolgt ein lesender Zugriff (Prozedur LESEN). a) Fügen Sie in Bild geeignete Semaphor-Operationen ein, durch die ein gleichzeitiger Zugriff auf QUEUE ausgeschlossen wird. Geben Sie die Anfangswerte der Semphor-Variablen an. Um welche Form der Synchronisierung handelt es sich hier? b) Stellen Sie zusätzlich sicher, dass eine bestimmte Anzahl lesender Zugriffe nur erfolgen kann, wenn auch entsprechend viele schreibende Zugriffe durchgeführt wurden. Fügen Sie in Bild die notwendigen Semaphor-Operationen ein und geben Sie die Anfangswerte der Semaphor-Variablen an. asks: NEUWER BERECHNEN CALL SCHREIBEN (QUEUE) END END CALL LESEN (QUEUE) Bild 5.3.1: Synchronisation des Zugriffs auf das Datenfeld Queue

3 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 3 Aufgabe 5.4: Synchronisierung mit Semaphoren Das Problem der Prioritäts-Inversion In dieser Aufgabe soll das Problem der Prioritäts-Inversion bei der Synchronisierung von Rechenprozessen mit Semaphoren untersucht werden. Um das Problem deutlich zu machen, wird zunächst ein einfaches Szenario betrachtet. Szenario 1: Angenommen A, B und C sind drei asks mit absteigender Priorität, wobei A die höchste Priorität (1) hat. Die asks A und C nutzen eine gemeinsame Ressource (z.b. einen Speicherbereich). Diese Ressource wird durch eine Semaphore vor gleichzeitigem Zugriff geschützt. Bild zeigt die Struktur der drei asks in Szenario 1. Neben den gestrichelten Linien (Programmcode) sind jeweils die entsprechenden Ausführungsdauern angegeben. ASK A Prio 1 P(S) 2 ASK B Prio 2 5 ASK C Prio 3 P(S) 3 V(S) Bild 5.4.1: Struktur der asks A, B und C in Szenario 1 V(S) Die asks werden zu folgenden Zeiten (einmalig) aktiviert: ask A: ask B: ask C: t = 2 t = 4 t = 0 Hinweis: In dieser Aufgabe wird preemptives Scheduling mit festen Prioritäten vorausgesetzt. Die Anfangswerte aller Semaphoren sind 1. a) ragen Sie den zeitlichen Soll-Ablauf im Bereich 0 t 14 in Bild ein. Der Zustand ruhend (nicht eingeplant) wird nicht in die Diagramme eingetragen! ragen Sie den zeitlichen Ist-Ablauf mit den entsprechenden askzuständen der drei asks im Bereich 0 t 14 in Bild ein.

4 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 4 b) Angenommen, es gäbe noch weitere Rechenprozesse mit Prioritäten zwischen denen von A und C, die nicht auf den gemeinsamen Speicherbereich zugreifen (keine Semaphoroperationen). Die einzelnen Prioritäten und Ausführungszeiten sind nicht bekannt. Wie lange würde die hochpriore ask A dann im schlechtesten Fall verzögert? Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird im folgenden eine neue Strategie verfolgt. Sobald eine ask X eine höher priore ask (bei einer erfolglosen P-Operation einer höher prioren ask), ignoriert die ask seine eigene Priorität und führt den kritischen Bereich (der Bereich zwischen einer P und einer V-Anweisung) mit der höchsten Priorität aller asks, die durch sie werden, aus. Da diese ask sozusagen die Priorität einer höher prioren ask erbt, wird dieses Verfahren der Synchronisation (ein sog. Synchronisationsprotokoll) als Priority Inheritance Protocol bezeichnet. c) ragen Sie den neuen Ist-Ablauf in Bild ein. d) Wie lange kann (im Gegensatz zu der einfachen Lösung mit Semaphoren) ein hochpriorer Prozess durch einen niederprioren Prozess bei dieser Strategie maximal werden? Szenario 2: Gegeben seien nun wiederum drei Rechenprozesse A, B, und C mit unterschiedlichen Prioritäten (A - höchste, B- mittlere, C - niedrigste). Die drei Rechenprozesse werden jetzt über drei 1 binäre Semaphoren S0, S1, S2 synchronisiert. Die Semaphoren S1 und S2 stellen dabei den exklusiven Zugriff auf zwei gemeinsam genutzte Speicherbereiche sicher. Bild zeigt die Struktur der drei asks A, B und C in Szenario 2. Die asks werden zu folgenden Zeiten (einmalig) aktiviert: ask A: ask B: ask C: t = 5 t = 2 t = 0 1 Bei einer binären Semaphore sind nur die Werte 0 und 1 erlaubt

5 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 5 ASK A Prio 1 P(S0) V(S0) 2 ASK B Prio 2 P(S1) P(S2) V(S2) V(S1) 2 2 Bild 5.4.2: Struktur der asks A, B und C in Szenario 2 ASK C Prio 3 P(S2) P(S1) V(S1) V(S2) 3 2 e) ragen Sie den zeitlichen Soll-Ablauf im Bereich 0 t 19 in Bild ein. ragen Sie den zeitlichen Ist-Ablauf nach der Strategie von Aufgabe c) (Priority Inheritance Protocol) und die entsprechenden askzustände im Bereich 0 t 19 in Bild ein. Was stellen Sie dabei fest? Das Priority Ceiling Protocol Es wird nun zum Schluss noch eine Erweiterung des Priority Inheritance Protocols betrachtet - das sog. Priority Ceiling Protocol. Ein Ziel dieses Protokolls ist es, Deadlocks zu vermeiden. Die zugrunde liegende Idee dieses Protokolls ist es, sicherzustellen, dass wenn eine ask X den kritischen Bereich einer anderen ask unterbricht und seinen eigenen kritischen Bereich ausführt, die Priorität, mit welcher dieser neue kritische Bereich ausgeführt wird, höher ist als alle geerbten Prioritäten aller unterbrochenen kritischen Bereiche. Dazu wird jeder Semaphore eine Prioritäts-Oberschranke (Priority Ceiling) zugeordnet. Diese Oberschranke ist die Priorität der höchst prioren ask, welche diese Semaphore benutzt. Dann wird einer ask X der Eintritt in einen neuen kritischen Bereich (P-Operation) nur dann erlaubt, wenn die Priorität von ask X höher ist, als alle Prioritäts-Oberschranken aller Semaphoren, die im Moment von anderen asks belegt (Semaphor-Variable = 0) sind.

6 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 6 Beispiel: Eine Semaphore S wird von zwei asks mit den Prioritäten 2 und 4 benutzt. Sie bekommt also die Prioritäts-Oberschranke 2 (höchste Prio). Wenn S (als einzige Semaphore) von einer ask belegt ist und eine andere versucht eine P- Operation durchzuführen, so wird diese Operation nur dann ausgeführt, wenn die Priorität dieser ask höher ist als 2 (also 1). f) Welche Prioritäts-Oberschranken werden den Semaphoren S0, S1 und S2 in Szenario 2 zugeordnet? g) ragen Sie den zeitlichen Ist-Ablauf und die entsprechenden askzustände bei Anwendung des Priority Ceiling Protocols im Bereich 0 t 19 in Bild ein.

7 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 7 Lösungsblatt 1 zu Aufgabe 5.4 ask A ask B ask C Bild 5.4.3: Zeitlicher Soll-Ablauf der Rechenprozesse in Szenario 1 t/ ask A ask B ask C Bild 5.4.4: Zeitlicher Ist-Ablauf der Rechenprozesse in Aufgabe a) t/ ask A ask B ask C t/ Bild 5.4.5: Zeitlicher Ist-Ablauf der Rechenprozesse in Aufgabe c)

8 Automatisierungstechnik 1 Übung 5: Semaphoren 8 Lösungsblatt 2 zu Aufgabe 5.4 ask A ask B ask C t/ Bild 5.4.6: Zeitlicher Soll-Ablauf der Rechenprozesse in Szenario 2 ask A ask B ask C Bild 5.4.7: Zeitlicher Ist-Ablauf der Rechenprozesse in Aufgabe e) ask A ask B ask C Bild 5.4.8: Zeitlicher Ist-Ablauf der Rechenprozesse in Aufgabe g)