Systemsoftware

Systemsoftware
Jürgen Nehmer, WS 2002/03
Thread-Synchronisation
3. Monitore
Systemsoftware - Lektion X 1
Monitor-Definition (Hoare 1974)
• Ein Monitor ist eine Datenstruktur
mit darauf definierten Operationen,
die sich wechselseitig ausschließen
– Datenstruktur = shared region
– Benutzung der Datenstruktur nur
über definierte Operationen
– Einbettung in höhere Programmiersprachen
essentiell
Thread
Adressraum
Thread
• Vorteil:
– Daten und Zugriffsfunktionen sind
an einem Ort konzentriert
– bessere Änderbarkeit
Monitor
Operationen des Monitors
gekapselte Daten im Monitor
Systemsoftware - Lektion X 2

Das Sprachkonzept (Concurrent Pascal, CHILL, Java)
MONITOR Monitorname (Parameter)
Datendeklarationen; /*von außen unsichtbar*/
ENTRY Funktionsname1 (Parameter) {Prozedur}
ENTRY Funktionsname2 (Parameter) {Prozedur}
.............
ENTRY FunktionsnameN (Parameter) {Prozedur}
INIT {Initialisierung}
END Monitorname
/* Monitorinitialisierung */
Monitorname (aktuelle Parameter);
/* Aufruf einer Monitorprozedur */
Monitorname.Funktionsname(aktuelle Parameter);
Systemsoftware - Lektion X 3
Condition-Variable: ein Hilfsmittel zur einfachen
Formulierung bedingter kritischer Abschnitte
CONDITION a,b,c; /* Condition-Variable sind Warte- */
/* schlangen, in denen Threads auf den Eintritt */
/* einer bestimmten Bedingung warten */
/* Warten auf den Eintritt einer Bedingung */
Conditionvariable.Wait([Priorität]);
/* Signalisieren des Eintritts einer Bedingung */
Conditionvariable.Signal([Priorität]);
/* liefert die Anzahl wartender Threads zurück */
int Conditionvariable.Status();
• Anmerkung: Condition-Variable sind nur innerhalb von Monitoren definiert
Systemsoftware - Lektion X 4

Veranschaulichung von Signal und Wait
Monitor M
Monitorproz.
CV1
CV1.Wait;
Neuzutritt über Monitorprozeduraufruf
CV1.Signal
Wiedereintritt nach Wait
CV2.Wait;
CV2
CV2.Signal
Systemsoftware - Lektion X 5
Semantik von Wait()
P r der im Monitor M rechnende Thread, der die Wait-Operation aufruft
B eine Bedingung über den Monitordaten
P die Menge aller zum Monitor M Zutritt suchenden Threads
CV eine auf die Erfüllung von B wartende Threadmenge
(1) {¬B∧(P'=∅)∧(M'=BELEGT)} CV.Wait ( )
{¬B∧(P r =Blocked)∧(CV={P r }∪CV')∧(P=∅)∧(M=FREI)
(2) {¬B∧(P'≠∅)∧(M'=BELEGT)} CV.Wait ( )
{¬B∧(P r =Blocked)∧(CV={P r }∪CV')∧(P=P'-{P x },P x ∈P')
∧(P x =Ready)∧(M=BELEGT)
Systemsoftware - Lektion X 6

Semantik von Signal()
(1) {B∧(CV'=∅)} CV.Signal ( ) {B∧(CV=∅)}
• Variante I: kein Besitzwechsel, Befreiung höchstens eines Threads aus CV
(2) {B∧(CV'≠∅)} CV.Signal ( ) {B∧(CV=CV'-{P x },P x ∈CV')∧(P=P'∪{P x })}
• Variante II: kein Besitzwechsel, Befreiung aller Threads aus CV
(2') {B∧(CV'≠∅)} CV.Signal ( ) {B∧(CV=∅)∧(P=P'∪CV')}
• Variante III: Besitzwechsel vom signalisierenden auf einen signalisierten
Thread (Hoare 1974)
(2'') {B∧(CV'≠∅)} CV.Signal ( ) {B∧(P=P'∪{P r }∧(P r =Blocked) ∧(CV=CV'- {P x },
P x ∈CV')∧(P x =Ready)}
Systemsoftware - Lektion X 7
Programmierregeln
• Signal-Varianten I und II
– keine Garantie, dass die Bedingung B nach Wait erfüllt ist, deshalb
Benutzung von Wait immer in der while-Schleife:
while (!B) Conditionvariable.Wait();
• Signal-Variante III:
– war B unmittelbar vor Signal erfüllt, dann ist B auch garantiert nach Wait
erfüllt, deshalb ist die Benutzung von Wait auch in if-Anweisung sicher:
if (!B) Conditionvariable.Wait();
Systemsoftware - Lektion X 8

Beispiel 1: Monitor = exklusive Ressource
MONITOR Disc
ENTRY Read (PlattenAdr, SpeicherAdr, Länge)
{Lesevorgang durchführen}
ENTRY Write (SpeicherAdr, PlattenAdr, Länge)
{Schreibvorgang}
INIT {Platte in Betriebsbereitschaft versetzen}
END Disc
• Prozesse benutzen den Monitor in der Form:
Disc.Read(Von,Nach,Länge);
Disc.Write(Von,Nach,Länge);
Systemsoftware - Lektion X 9
Beispiel 2: Kritische Abschnitte mit Monitoren
• Benutzungsmuster der
Ressource Disc:
Aquire();
Use();
Use();
Use();
....
Use();
Release();
• Es macht keinen Sinn, die Use-
Operationen in den Monitor zu legen
MONITOR Disc
int busy; /*0=frei,1=belegt*/
Condition nonbusy;
ENTRY Acquire() {
if (busy==1) nonbusy.Wait();
busy++;
}
ENTRY Release() {
busy--;
nonbusy.Signal();
}
INIT {busy=0}
END Disc
• Benutzung in der Form
Disc.Acquire();..Disc.Release();
Systemsoftware - Lektion X 10

Beispiel 3: Verwaltung eines Ressourcen-Pools
MONITOR DiscPool (int Zahl)
enum
{frei,belegt} DiscStatus[N];
int busy; /*Zahl Laufwerke*/
Condition nonbusy;
ENTRY int GetDisc() {
int i;
i=1;
if (busy==N)
nonbusy.Wait();
while (DiscStatus[i]==belegt)
i++;
DiscStatus[i]=belegt;
busy++;
return i;
}
ENTRY PutDisc(int UsedDisc) {
DiscStatus[UsedDisc]=frei;
busy--;
nonbusy.Signal();
}
INIT {
N=...; /*Anzahl Laufwerke*/
DiscStatus[0]=frei;
DiscStatus[1]=frei;
.....
DiscStatus[N-1]=frei;
busy=0;
}
END DiscPool
Systemsoftware - Lektion X 11
Beispiel 4: Reader-Writer-Problem (Reader-Bevorzugung)
MONITOR ReadWrite
int ReadCount, Writeflag;
Condition OKtoRead,OKtoWrite;
ENTRY StartRead() {
Readcount++;
if (Writeflag==1)
OKtoRead.Wait();
OKtoRead.Signal();
}
ENTRY EndRead() {
Readcount--;
if (Readcount==0)
OKtoWrite.Signal();
}
ENTRY StartWrite() {
if ((Readcount>0)¦¦
(Writeflag==1))
OKtoWrite.Wait();
Writeflag=1;
}
ENTRY EndWrite() {
Writeflag=0;
if (OKtoRead.Status()>0)
OKtoRead.Signal();
else OKtoWrite.Signal();
}
INIT {
Readcount=0;
Writeflag=0;
}
END ReadWrite
Systemsoftware - Lektion X 12

Beispiel 5:Reader-Writer-Problem (Writer-Bevorzugung)
MONITOR ReadWrite
int Readcount, Writecount,
Writeflag;
Condition OKtoRead, OKtoWrite;
ENTRY StartRead() {
if (Writecount>0)
OKtoRead.Wait();
Readcount++;
OKtoRead.Signal();
}
ENTRY EndRead() {
Readcount--;
if (Readcount==0)
OKtoWrite.Signal();
}
ENTRY StartWrite() {
Writecount++;
if ((Readcount>0)¦¦
(Writeflag=1))
OKtoWrite.Wait();
Writeflag=1;
}
ENTRY EndWrite() {
Writecount--; Writeflag=0;
if (Writecount>0)
OKtoWrite.Signal();
else
OKtoRead.Signal();
}
INIT {Readcount=0;Writecount=0;}
END StartWrite
Systemsoftware - Lektion X 13
Realisierung bedingter kritischer Abschnitte
MONITOR M
Deklaration der Monitordaten;
Condition CV; /* für alle Bedingungen*/
Signal-Variante I Signal-Variante II Signal-Variante III
ENTRY P() { ENTRY P() { ENTRY P() {
while (!B) while (!B) while (!B) {
CV.Wait(); CV.Wait(); CV.Signal();
if B break;
CV.Wait();
while CV.Signal(); }
(CV.STATUS()!=0) } ....
CV.Signal(); .... CV.Signal();
} END M }
.... ....
END M
END M
Systemsoftware - Lektion X 14

Implementierungskonzept auf Semaphore-Basis
Monitor
Precompiler
Conditionvariable.Wait()
Conditionvariable.Signal()
Conditionvariable.Status()
Precompiler
Modul mit Semaphore-Operationen
Semaphore-
Operationen
• pro Monitor:2 Semaphore für den Monitorein- und austritt
• pro Condition-Variable: ein Semaphore und ein Zähler
Systemsoftware - Lektion X 15
Transformation eines Monitors M
MODULE M
Monitordaten;
Semaphore M_Mutex, M_Urgent;
int M_Urgentcount;
......
ENTRY F(Parameter) {
P(M_Mutex);
Anweisungsteil;
if (M_Urgentcount>0) V(M_Urgent);
else V(M_Mutex);
}
Weitere Monitorprozeduren;
INIT {M_Mutex=1;M_Urgent=0;M_Urgentcount=0;....}
END M
Systemsoftware - Lektion X 16

Implementierung von Condition-Variablen und
Statusabfrage
Condition CV;
Semaphore CV=0;
int CV_Count=0;
S=CV.Status();
S=CV_Count;
Systemsoftware - Lektion X 17
Signal/Wait für Signal-Variante I
CV.Wait();
CV.Signal();
CV_Count++;
if (M_Urgentcount>0)
V(M_Urgent);
else V(M_Mutex);
P(CV);
P(M_Urgent);
M_Urgentcount--;
if (CV_Count>0) {
V(CV);
CV_Count--;
M_Urgentcount++;
}
Systemsoftware - Lektion X 18

Signal/Wait für Signal-Variante II
CV.Wait();
CV.Signal();
CV_Count++;
if (M_Urgentcount>0)
V(M_Urgent);
else V(M_Mutex);
P(CV);
P(M_Urgent);
M_Urgentcount--;
while (CV_Count>0) {
V(CV);
CV_Count--;
M_Urgentcount++;
}
Systemsoftware - Lektion X 19
Signal/Wait für Signal-Variante III
CV.Wait();
CV.Signal();
CV_Count++;
if (M_Urgentcount>0)
V(M_Urgent);
else V(M_Mutex);
/*Prozeß verläßt Monitor*/
P(CV);
/*Prozeß betritt Monitor*/
CV_Count--;
M_Urgentcount++;
if (CV_Count>0)
{
V(CV);
P(M_Urgent);
}
M_Urgentcount--;
Systemsoftware - Lektion X 20

Vorgeschlagene Erweiterungen des
Monitorkonzeptes
• Prioritätsparameter für Signal und Wait
Conditionvariable.Wait(Priorität)
(Bedeutung: Einordnung des Prozesses in die Warteschlange der Condition-
Variablen nach absteigenden Prioritäten)
Systemsoftware - Lektion X 21
Beispiel: Weckdienst (1)
Client
Timer
periodisches
Signal
Wakeme
Tick
Clock-
Monitor
Systemsoftware - Lektion X 22

Beispiel: Weckdienst (2)
MONITOR Clock
int now; /*Absolutzeit*/
Condition Wakeup;
ENTRY WakeMe (int N) { /*N=relative Weckzeit*/
int next;
next=now+N;
while (now

Beispiel: Plattenkopfsteuerung (2)
MONITOR DiscHead
int HeadPos; /*0..Cylmax*/
enum {Up,Down} Direction;
enum {nein,ja} Busy;
Condition UpSweep,DownSweep;
ENTRY Request(int Dest) {
if (busy==ja) {
if (Direction==Up) {
if (HeadPos=Dest)
DownSweep.Wait(Cylmax-Dest);
else UpSweep.Wait(Dest);
}
}
Busy=ja;
HeadPos=Dest;
}
Systemsoftware - Lektion X 25
Beispiel: Plattenkopfsteuerung (3)
ENTRY Release() {
Busy=nein;
if (Direction==Up) {
if (UpSweep.Status()!=0)
UpSweep.Signal();
else {
Direction=Down;
DownSweep.Signal();
}
else {/*Direction==Down*/
if (DownSweep.Status()!=0)
DownSweep.Signal();
else {
Direction=Up;
UpSweep.Signal();
}
}
INIT {
HeadPos=0;
Direction=Up;
Busy=nein;
}
END Release
Systemsoftware - Lektion X 26

Problem der geschachtelten Monitoraufrufe
Monitor A
B.P(..);
Monitor B
Prozedur P
CV.Wait();
Der Monitor A bleibt
für die Wartezeit des
Threads an der
Condition-Variablen CV
blockiert
Systemsoftware - Lektion X 27