SdE 8 - Synchronization de execution

Systèmes
d'exploitation
Synchronisation de
exécution

Lesslie Lamport
• Américain
• MIT
• LaTeX
• L’algorithme Lamport
bakery
• Tolérance aux fautes
Byzantines
– Utilise sur blockchain
• L’algorithme Paxos
• Signature de Lamport
2

Questions?
• Qui a construit le premier ordinateur pour
Apple?
• Qu'est-ce que est considéré comme l'un des
plus stupide erreurs dans l'histoire de
l'ordinateur?
• Lequel des personnages avez-vous le plus
aimé?

Questions?
• Qui a construit le premier ordinateur pour Apple?
– Steve Wozniak
• Qu'est-ce que est considéré comme l'un des plus
stupide erreurs dans l'histoire de l'ordinateur?
– Les bénéfices sont dans le matériel
– La vente de DOS
– Computers? Why would ordinary people use computers
for?
• Lequel des personnages avez-vous le plus aimé?
– votre choix

Contenu
• course
• espace critique
• opérations atomique
• busy waiting
• semaphore
• mutex
6

Bibliographie pour aujourd'hui
• Modern Operating Systems
– Chapitre 4
• 4.4
• 4.5
• 4.6
• Operating Systems Concepts
– Chapitre 9
• 9.1 – 9.4
• 9.6
• 9.7
7

Course
Processus 1
// shared variable a
int a = 0;
if (a == 0)
{
a++;
}
printf ("%dn", a);
int a = 0;
if (a == 0)
{
a++;
}
printf ("%dn", a);
9
Processus 2

Course – variante séquentiel
Processus 1
int a = 0;
if (a == 0) {
a++;
}
printf ("%dn", a);
int a = 0;
if (a == 0) {
a++;
}
printf ("%dn", a);
10
Processus 2
1 1

Course – variante intercalé
Processus 1
int a = 0;
if (a == 0) {
a++;
}
printf ("%dn", a);
int a = 0;
if (a == 0) {
a++;
}
printf ("%dn", a);
11
Processus 2
2 2

Course – désiré
Processus 1
int a = 0;
if (a == 0) {
a++;
}
printf ("%dn", a);
int a = 0;
if (a == 0) {
a++;
}
printf ("%dn", a);
12
Processus 2
espace critique
1 1

Espace critique
• une partie du code qui doit être exécuté seul
– l'accès aux variables (ressources) qui doit être
exécuté seul
13
if (a == 0) {
a++;
}
if (a == 1) {
a--;
}
Le raison est l’accès de variable a

Operation atomique
• Un opération qui est exécute sans interruption
• Interruptions possible
– interruption matériel
– signaux
– changement de contexte
• Les instructions de CPU sont atomique
14

Exemple
int main ()
{
int a = 0;
a++;
}
15
Plus des exemples sur https://godbolt.org/

Exemple – x86-64
int main ()
{
int a = 0;
a++;
}
; rbp-4 address of
variable a
mov DWORD PTR [rbp-4], 0
add DWORD PTR [rbp-4], 1
16
a++ est atomique

Exemple – ARM
int main ()
{
int a = 0;
a++;
}
; fp-8 address of
variable a
mov r3, #0
str r3, [fp, #-8]
ldr r3, [fp, #-8]
add r3, r3, #1
str r3, [fp, #-8]
17
a++ n’est pas atomique

Instruction pour synchronisation
if (test == 0)
{
test = 1;
// do some work
test = 0;
}
cmp DWORD PTR [rbp-4], 0
jne .L2
; do some work
.L2:
18
; rbp-4 address of variable test
N’est pas atomique

Test and set
• Une instruction qui
– Fait un comparaison
– Fait un attribution en dépendent de la
comparaison
• TSL
19
tsl r, valuetsl (r, value)
if (r == 0)
r = value;

Instruction pour synchronisation
if (tsl(test, 1))
{
// do some work
test = 0;
}
mov eax, 0
lock cmpxchg DWORD PTR
[rbp-4], 1
jne .L2
; do some work
.L2:
20
est atomique

Fair le code executer atomique
• Spinlock
• Semaphore
• Mutex
21

Spinlock
while (test != 0)
continue;
test = 1;
// do some work with
test = 0;
23
Spinlock
Atomique?

Spinlock x86
while (test != 0)
continue;
test = 1;
test = 0;
.L2:
cmp DWORD PTR [rbp-4], 0
jne .L2
; do some work
24
N’est pas atomique

Spinlock
while (tsl(test, 1))
continue;
test = 0;
25
Spinlock

Spinlock x86
continue;
test = 0;
mov eax, 0
.L2:
lock cmpxchg DWORD PTR
[rbp-4], 1
jne .L2
; do some work
26
Est atomique

lock et unlock
• lock
– prend le spinlock
• unlock
– libère le spinlock
27

lock et unlock
void lock (s)
{
while (tsl(s, 1));
}
void unlock (s)
{
s = 0;
}
28
// s - spinlock

Exemple
Processus 1
// shared variables a and s
int a = 0;
int s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
int s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
29
Processus 2
1 1

Exemple
Processus 1
int a = 0;
int s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
int s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
30
Processus 2
1 1

Deadlock
Que se passe-t-il si nous oublions d'utiliser le
unlock?
Que se passe-t-il si nous utilisons plusieurs de fois
lock sans unlock?
Que se passe-t-il si le program s’arrêt avant unlock?
31

Oublier unlock
Processus 1
int a = 0;
int s;
lock (s);
... waits a lot
int a = 0;
int s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
printf ("%dn", a);
32
Processus 2
... 1

Plusieurs de lock
Processus 1
int a = 0;
int s;
lock (s);
... waits a lot
int a = 0;
int s;
lock (s);
lock (s);
...waits a lot
33
Processus 2
... ...

Arrête avent unlock
Processus 1
int a = 0;
int s;
lock (s);
... waits a lot
int a = 0;
int s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
34
Processus 2
... erreur

Spinlock
continue;
test = 0;
36
Spinlock
Busy Waiting

Busy Waiting
• Essayer en permanence de tester la valeur de
la variable
• Le CPU fait des instructions inutiles
• Le processus va consume toute le quantum de
temps pur tester la valeur
37

Les états de processus
38
Spinlock

39
Attende la resource

Sémaphore
• Object du Système d’Exploitation
• Partage entre plusieurs processus
• Fonctions exécuté atomique
– P (attendre) / wait / down
– V (signaler) / signal / up
• Value initiale
• Queue de processus qui attende
40

Fonctions de sémaphore
void wait (s)
{
while (s <= 0);
s = s - 1;
}
void signal (s)
{
s = s + 1;
}
41
// s - semaphore
Busy waiting

block et wakeup
• block
– arrête le processus curent
• état WAITING
• wakeup
– démarre touts les processus qui sont bloque sure
le sémaphore
• état READY
42

43
block
wakeup

Fonction de sémaphore
void wait (s)
{
while (s <= 0)
block (s);
s = s - 1;
}
void signal (s)
{
s = s + 1;
wakeup (s);
}
44
// s - semaphore

Types des sémaphores
• binaire
– la valeur peut être seulement 0 ou 1
• comptage
– La valeur est une valeur entier
45

Sémaphore binaire
void wait (s)
{
while (s == 0)
block (s);
s = 0;
}
void signal (s)
{
s = 1;
wakeup (s);
}
46
// s - semaphore

Exemple
Processus 1
int a = 0;
int s;
wait (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
signal (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
int s;
wait (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
signal (s);
printf ("%dn", a);
47
Processus 2
1 1

Exemple
Processus 1
int a = 0;
int s;
wait (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
signal (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
int s;
wait (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
signal (s);
printf ("%dn", a);
48
Processus 2
1 1

Deadlock
signal?
wait sans signal?
Que se passe-t-il si le program s’arrêt avant signal?
49

Oublier signal
Processus 1
int a = 0;
int s;
wait (s);
... waits a lot
int a = 0;
int s;
wait (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
printf ("%dn", a);
50
Processus 2
... 1

Plusieurs de wait
Processus 1
int a = 0;
int s;
wait (s);
... waits a lot
int a = 0;
int s;
wait (s);
wait (s);
...waits a lot
51
Processus 2
... ...

Arrête avent signal
Processus 1
int a = 0;
int s;
wait (s);
... waits a lot
int a = 0;
int s;
wait (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
52
Processus 2
... erreur

Mutex
• Mutual Exclusion
• Similaire avec le sémaphore binaire
• Utilisez pour threads (même processus)
54

lock et unlock
• lock
– prend le mutex et mémorise le id de thread qui a
le pris
• la fonction lock est réentrante dans le même thread
• unlock
– libéré le mutex
• au fin du program (thread) le mutex est libéré
55

Deadlock
unlock?
wait sans lock?
Que se passe-t-il si le program s’arrêt avant unlock?
56

Oublier unlock
Processus 1
int a = 0;
mutex s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
mutex s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
printf ("%dn", a);
57
Processus 2
1 1

Plusieurs de lock
Processus 1
int a = 0;
mutex s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
mutex s;
lock (s);
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
58
Processus 2
1 1

Arrête avent unlock
Processus 1
int a = 0;
mutex s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
unlock (s);
printf ("%dn", a);
int a = 0;
mutex s;
lock (s);
if (a == 0)
{
a++;
}
59
Processus 2
1 erreur

Synchronization en Java
class Run
{
private Object a;
public synchronized void runAlone ()
{
// run some work
}
public void run ()
{
synchronized (a)
{
// run some work using the variable a
}
}
}
60

Mot clés
• course
• espace critique
• opération atomique
• busy waiting
• spinlock
• lock
• unlock
• sémaphore
• sémaphore binaire
• sémaphore comptage
• deadlock
• wait
• signal
• mutex
61

SdE 8 - Synchronization de execution

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