Elosztott rendszerek NGM_IN005_1 Konkurrens folyamatok Folyamat koncepció Adatok (információ reprezetáció) M!veletek (input->output) Számítás (algoritmus) Program (formális nyelv) Folyamat (végrehajtás alatti számítás) konkurrens folyamatok független (privát adatok) együtt m!köd" (közös adatok) 2
Többszálú folyamatok Implementációs absztrakciós szint Egy programon (op. r. folyamaton) belüli tevékenységek párhuzamosítása közös er"források ütemezés 3 Op. rendszer struktúrák Applications Monolit, struktúrálatlan File storage I/O Proc. mngnt. Memory mngnt. Network services Rétegszerkezetek Dev. driver Dev. driver HW interface Dev. driver védelmi domének Applications Mikrokernel OR OS services Communication services Proc. mngnt. Memory mngnt. Dev. driver Dev. driver Microkernel Dev. driver HW interface 4
Eszközkezelés Interfész Device driver (OR) Device spec. szoftver interfész Device hardver interfész Device interfész input puffer output puffer kontrol regiszter státusz regiszter 5 Eszközkezelés (folyt.) Pollozás Interrupt kezelés hardver támogatás interrupt kiszolgáló rutin interrupt vektor környezetváltás prioritás Program PC Status reg. IR vector IR serv. routine Memory Processor Program Saved PC IR vector Saved status reg. PC Status reg. IR serv. routine Memory Processor 6
Eszközkezelés (folyt.) DMA cycle stealing Memory-mapped I/O allokált memóriacímek Timerek programozhatók interrupt felhasználás: futásid" (CPU használat), riasztások,periódikus tevékenységek 7 Több processzoros rendszerek Interrupt kezelés perifériák processzorokhoz kötötten perifériák bármely processzor által vezérelhet"k osztott memória, DMA periféria alrendszer inter-processzor interrupt 8
Pufferek és szinkronizáció I/O modulok között adatpufferek különböz" szinteken futó adatcserél" folyamatok szinkronizációja pufferelési stratégia Szinkron I/O Aszinkron I/O 9 Processzek és processzorok Processzek használata aszinkron esemény feldogozáskor Több processz, mint fizikai processzor processzorok megosztása (virtuális processzorok) interrupt mechanizmus processz menedzsment funkciók Ütemezés nem-preemptív preemptív 10
Multi-processz rendszer (pl.) Dev A IRQ ISR of Dev A Proc A Proc B ISR of Dev B Wait() Wait() Dev B IRQ 11 Processz állapotok RUNNING egy processzoron fut RUNNABLE elkezdhet futni egy processzoron BLOCKED RUNNING Futási jog elvéve várakozás valamilyen eseméyre Wait primitív végrehajtása Ütemezve végrehajtásra RUNNABLE BLOCKED Esemény bekövetkezett 12
Versenyhelyzetek Értesítés esemény bekövetkeztér"l Signal primitív (wake-up waiting) Események relatív id"zítése befolyásolja a következményt pl.: megszakítás bekövetkezte wait kiadása közben Wait és Signal metódusoknak oszthatatlannak (atominak) kell lennie 13 Ütemezés Processz kiválasztása végrehajtásra Ütemezési algoritmus hatékonyság optimális er"forrás kihasználás overhead csökkentése speciálisan kialakított adatszerkezetek speciális helyzetek unary scheduling binary scheduling 14
Folyamatok viselkedése Prioritás kezelés statikus, fix prioritás OR funkciók, real-time rendszerek változó aktivitás, multi user rendszerek dinamikusan meghatározott prioritás id"szeletek különböz" prioritású várakozósorok 15 Folyamatok viselkedése (folyt.) Prioritások rendszer folyamatok (statikus) kritikus er"forráson blokkolt folyamatok kevésbbé kritikus er"forrásokon blokkolt foly. I/O tevékenységet nem folytató, id" szeletet elhasznált foly. 16
Valós idej! ütemezés Valós idej! tevékenységek periódikus (ciklikus) spóradikus (nem meghatározott idej! fellépés) Határid"k betartása periódikus ütemezés (proc. frekvencia minimuma) ráta monoton ütemezés (frekvencia függ" prioritás) legkorábbi határidej!, legkisebb holtidej! 17 Valós idej! ütemezés (pl.) WorkA SlackA WorkB SlackB W A WB WorkA EDF WorkA WorkB LSF DB DA 18
OR folyamatok Felhasználói folyamatok privilégizált és nem privilégizált mód Device kezel" folyamatok Memória kezel" folyamatok Folyamat kezel" (ütemez") nem valósíthat meg folyamatként 19 Többszálúság implementálása Végrehajtási egység Szál Könny! súlyú folyamat Er"forrás allokálási egység Taszk Folyamat Címtér User és kernel thread ütemezhet" kernel thread -> többszálú folyamatok Nehéz súlyú folyamatok 20
Többszálúság implementálása (folyt.) one program one proc. Language runtime system one program one proc. Language runtime system one program user threads Language runtime system one program user threads Language runtime system one program user threads Language runtime system one program user threads Language runtime system Kernel threads OS kernel Szekvenciális pr. nyelv OS kernel Konk. pr. nyelv, OR támogatás nélkül OS kernel Konk. pr. nyelv, OR támogatással 21 Konkurrencia megoldások Szekvenciális nyelv nincs támogatás elkülönített tevékenységek kezelésére felhasználói kódnak kell menedzselni az állapotváltásokat nem lehet azonnal reagálni eseményekre 22
Konkurrencia megoldások (folyt.) Nyelv korutinokkal független alprogramok egy programon belül runtime támogatás coroutine-create, kill, call, suspend, resume aktív korutin lista de explicit kontrol, (ütemezés, konzisztencia meg"rzése) 23 Konkurrencia megoldások (folyt.) Nyelv folyamatokkal, szálakkal kontrol, ütemezés a runtime rendszerben kernel threadek 24
Konkurrencia megoldások (folyt.) Megoldandó problémák blokkoló rendszerhívások eseménykezelés (pollozás, interrupt) kooperatív, barátságosan viselked" folyamatok preemptív ütemezés esetén adat konzisztencia átkapcsolási overhead 25 Java threads Thread osztály, Runnable interfész run és start metódus ütemezés VM és hoszt OR függ" sleep InterruptedException join setpriority szinkronizációs eszközök 26
Processz-interakció Folyamatok közös adatokkal teljesen közös címtér külön címtér szegmentált memóriakezelés közös kód szegmens elosztott folyamatok kommunikáció közös adat szegmens 27 Processz-interakció (folyt.) Szinkronizálási igények egymás közötti feltétel szinkronizálás szinkronizálás kölcsönös kizárást kívánó er"forrásokon Interakció típusok one-to-one any-to-one one-to-many any-to-(one of) many many-to-many (shared data) 28
Granularitás Konkurrens tevékenységek felbontása folyamat, taszk, m!velet dekompozíció tevékenységek száma interakció frekvenciája közös adatok hozzáférése védelmi kívánalmak blokkoló rendszerhívások 29 Granularitás (folyt.) Atomi tevékenység oszthatatlan utasítás szekvencia (átmeneti állapotok nem láthatók) fine-grained: egy gépi utasítás coarse-grained: oszthatatlannak látszó fine-grained tevékenységek sorozata 30
Alacsonyszint! szinkronizáció Közös írható adatterületek védelme Kritikus szakasz megvalósítása One-to-one interakciónál általánosabb megoldás kell Eszközkezelés Wait() és Signal() primitívjei nem alkalmasak 31 Kritikus régiók Kölcsönös kizárás biztosítása közös adatterületen végzett nem atomi blokkok számára Proc. A Proc. B Critical region Data structure Critical region 32
Hardver megoldások Oszthatatlan hardver m!velet "r flag ellen"rzésére és beállítására Test-and-set Proc. A TAS Proc. B TAS compare-and-swap Critical region Data structure Critical region load linked/store conditional 33 Szemaforok A B C Dijkstra 1 semwait() Szemafor objektum semwait() 0 0 B semwait() semwait() semsignal() 0 B C semsignal() érték 0 B semsignal() várakozósor 0 1 semsignal() 34
Szemaforok (folyt.) Szamaforok korlátai felhasználásuk nem automatikus, programozási hibák blokkolás nélkül nem lehet tesztelni nincs több szemaforra vonatkozó együttes semwait() nincs timeout 35