Görevler Arası Zamanuyumlama

Görevler Arası Zamanuyumlama Ahmet Burak Can Hacettepe Üniversitesi abc@cs.hacettepe.edu.tr Birlikte Çalışan Görevler Bilgisayar kaynaklarının etkin kullanımı için, görevlerin birlikte ve koşut işlemi zorunludur. Gerçek koşutluk Görüntü koşutluk Koşut işlem, görevler arasında kaynak paylaşımı ve zaman uyumlama sorunlarını beraberinde getirir. Birlikte çalışan görevler arası etkileşim, çoğu kez kaynak paylaşımından doğar. 1 2 Üretici/Tüketici Görev Örneği Kaynaklara Erişim 3 Bölüşülür Kaynaklar: Ana işlem birimi, ana bellek, disk birimi Bölüşülmez Kaynaklar: Yazıcı, görevler arası ortak yastık alanları İki görev, bir ortak kaynağa erişim 4 biçimde gerçekleştirebilir: Okuma Okuma Okuma Yazma Yazma Okuma Yazma Yazma Sadece Okuma Okuma durumunda iki görev aynı anda ortak kaynağa erişebilir. 4

Kritik Kaynaklar İşletim Bütünlüğünün Bozulması - Örnek 1 Bölüşülmez kaynaklar kritik kaynaklar olarak adlandırılır. Kritik kaynaklara erişmeden önce, kaynağın kullanım durumunun sınanması ve diğer görevlerin o anda kaynak üzerinde işlem yapmadıklarından emin olunması gereklidir. Örnek: Sistem saati üzerinde çalışan 3 görev Saat: Gerçek zaman saati kesilmelerini işleyip sistem saatini günler. Yani belirli vuru aralıklarında üretilen saat kesilmesiyle çağrılır. Göster: Sistem saatini görüntülemeye yarar Öndeğerata: Sistem saatini sıfırlamayı sağlar. 5 6 İşletim Bütünlüğünün Bozulması - Örnek 2 İşletim Bütünlüğünün Bozulması - Örnek 2 Yukarıdaki gibi tek bağlaçlı listeye öğe eklemek için aşağıdaki gibi bir kod kesimi çalıştırılır: yeniöge.bağ ilköge = ilköge; = &yeniöge; Birden fazla görev bu listeye ekleme yaptığında nasıl bir problem oluşabilir? 7 8

Kritik Kesimler Kritik Kesime Erişim Kritik kaynağa erişim yapan program kesimleri kritik kesimler olarak adlandırılır. Kritik kaynağa aynı anda en çok bir görevin erişebilmesi, kritik kaynağa erişim yapan görevlerden en çok birinin kritik kesimi içinde bulunmasıyla sağlanabilir. Buna karşılıklı dışlama (mutual exclusion) denir. Karşılıklı dışlama görevlerin kritik kesimlerine giriş ve çıkışlarında alınan önlemler yoluyla gerçekleştirilir. Görevlerin, birbirlerinin işletimlerini karşılıklı olarak, sürekli engellemelerine karşılıklı tıkanma denir. Karşılıklı dışlamayı sağlamanın yanında karşılıklı tıkanmanın engellenmesi gerekir. 9 10 Görevler Arası Zamanuyumlama Kuralları 1. Karşılıklı dışlamanın sağlanması: Birlikte çalışan görevlerden en çok biri, aynı anda kritik kesimine girebilmelidir. 2. Karşılıklı tıkanmanın engellenmesi: Aynı anda ortak kaynağa erişmek isteyen görevlerden en az biri, sonlu bir süre için kritik kesimine girebilmelidir. 3. Kritik kesiminin dışındaki görevler ortak kaynağa erişmek isteyen görevleri engellememelidir. 4. Görevlerin göreli hız ve öncelikleri ile sistemde yer alan AİB sayısı hakkında herhangi bir varsayım yapılmamalıdır. Kesilme Düzeneği Kullanımı Karşılıklı dışlamayı sağlamak üzere, bir görev kritik kesimine girerken sistemi kesilmelere kapayabilir. Örnek: Sistem saatine erişen görevlerin kesilme ile engellenmesi. Göster: cli; saniye1=saniye; dakika1=dakika; saat1=saat; sti; Öndeğerata: cli; saat=0; dakika=0; saniye=0; sti; 11 12

Kesilme Düzeneği Kullanımı Kesilme düzeneği kullanımının en önemli sakıncaları nelerdir? Sistemin kesilmelere kestirilemez uzunlukta kapalı kalmasına ve bu sebeple işletim bütünlüğünü zedeleyecek durumlara neden olabilir. AİB tüm dış uyarılara kapatılır ve kritik kaynakla ilgisi olmayan görevlerin de işletimlerini engeller. Kesilme düzeneğinin denetimini sistemde çalışan çok sayıda göreve, özellikle çekirdek katman dışındaki görevlere de dağıtmasıdır. İlkel Semafor Kullanımı Dijkstra, iki ya da daha çok görev arasında karşılıklı dışlamayı sağlayacak, semafor (S) adlı özel, pozitif tamsayı değişkenler üzerinde işlem yapan P (S) ve V (S) adlı ilkel işleçleri tanımlamıştır. Bunların ilkel işleçler olmaları, işletimlerinin bölünemediği anlamına gelir. P(S); bölünmez (atomik) biçimde S değişkenini sınayan eğer S sıfırdan büyükse içeriğini bir eksilten, değilse beklemeyi sağlayan bir işleç tanımı içerir. V(S) ise S değişkenini bir artırmayı sağlayan bir işleç olarak tanımlanır. 13 14 Semafor Tanımı ve Kullanımı Semaforla Üretici/Tüketici Görev Programlanması P(S) ve V(S) işleçleri tanımı: P (int *S){ while(*s <= 0); /*bekle/ (*S)--; V (int *S){ (*S)++; Semaforun program içinde kullanımı:. P(S); {Kritik Kesim V(S);. 15 Çözüm: Görevlerin yastığa erişip erişmediğini kontrol etmek için bir semafor tanımlanır. 16

Semaforla Üretici/Tüketici Görev Programlanması P(S) ve V(S) İşleçlerinin Kuyruk Kullanarak Etkinleştirilmesi int b; boolean dolu=false; kullanıcı() { char tutanak [80]; yazıcı() { char tutanak [80]; while(true){ P (b); if (!dolu){ çıktı-üret(tutanak); yastığayaz(f,tutanak); dolu = true; V (b); while(true){ P (b); if (dolu) { yastıkoku(f,tutanak); dök(tutanak); dolu=false; V (b); 17 18 Semafor Kuyrukları Görevler Arası Akış Denetimin Sağlanması 19 20

Sayan Semaforlar Sayan Semaforla Üretici/Tüketici Görev Programlanması Semafor işleçleri, eksi tamsayıları da kapsayacak işleçler biçimine dönüştürüldüğünde, ilgili semafor için bekleyen görev sayısını (kuyruk boyunu) belirlemek mümkündür. Eksi tamsayı değerleri de alabilen semaforlar sayan semaforlar ya da genel semaforlar olarak adlandırılır. Yastığın dolup dolmadığını kontrol etmek için iki sayan semafor tanımlanır: Bir semafor (f) doluluk oranını, diğeri boşluk (e) oranını sayar. Program başında boşluk sayan semafor (e) yastık boyuna, diğeri (f) sıfıra eşitlenir. 21 22 Sayan Semaforla Üretici/Tüketici Görev Programlanması Öncelik Çizgesi ve Birden Fazla Görev Arası Zamanuyumlama int b,e,f; kullanıcı() { char tutanak [80]; yazıcı() { char tutanak [80]; while(true){ çıktı-üret(tutanak); P (e); P (b); yastığayaz(f,tutanak); V (b); V (f); while(true){ P (f); P (b); yastıkoku(f,tutanak); V (b); V (e); dök(tutanak); 23 24

Üst Düzey Zamanuyumlama Araçları Görevler arası iletişimi alt düzey işleçler yerine, bu işleçlerden yararlanılarak gerçekleştirilen daha üst düzey tanımlara dayalı işlevlerle ele almak programlama kolaylığı sağlayan bir yoldur. Bu amaçla, sistem çağrıları arasında çoğu kez send ve receive olarak adlandırılan işlevler öngörülür. Bu işlevler, görevler arası iletişimin yanı sıra bunun ortaya çıkardığı zamanuyum sorununu da, programcılara yansıtmadan çözerler. send/receive komutları send komutu bir görevin diğer bir göreve ileti göndermesi için kullanılır. receive komutu diğer görevlerden ileti beklemek ve almak için kullanılır. send (hedef, ileti) receive (kaynak, ileti) hedef vekaynak, alan ve gönderen görevlerin kimlikleridir. ileti ise aktarılan veri öbeğini belirler. send komutu, ileti adlı veri öbeğininhedef kimlikli alıcı göreve aktarılmasını; receive komutu ise kaynak kimlikli görevin göndereceğiileti'nin okunmasını sağlar. 25 26 send/receive Kullanımı Örneği send/receive Komutlarının Gerçekleştirimi İletilerin kaynak kimlikli görevden hedef kimlikli göreve aktarımı, değişik yollarla gerçekleştirilebilir: Kaynak görevin bellek alanından, doğrudan hedef görevin bellek alanına aktarılması Sorun: Görevlerin işletimlerini bekle-ilerle biçimiyle yavaşlatan bir yoldur. İşletim sistemine ilişkin yastık alanları üzerinden dolaylı taşınması Sorun: Veri yapılarının tanımları kullanıcılara bırakılmaz. Posta kutularının kullanılması 27 28

Posta Kutusu ile send/receive Gerçekleştirimi Posta kutuları, belirli sayıda ve çoğu kez değişmez uzunlukta iletinin yastıklanmasına yarayan ve görevler programlanırken tanımlanan özel tür yapılardır. Veri yapılarının tanımlarını kullanıcılara bırakma esnekliği posta kutusu kullanımıyla sağlanır. send (posta-kutusu, ileti) send komutu ile posta kutusuna ileti gönderen görev, posta kutusu dolunca, bu posta kutusuna ilişkin bekleme durumuna alınır. receive (posta-kutusu, ileti) receive komutu, varsa bekleme durumundaki görevi hazır göreve dönüştürür. Posta kutusu boşken receive komutu ile ileti okumak isteyen görev, bu kutuya ilişkin bekleme durumuna alınır. UNIX te Posta Kutuları pipe komutu, UNIX işletim sisteminde görevler arası posta kutuları oluşturmak amacıyla kullanılır. Verilerin pipe a gönderilmesi ve alınması, sıradan kütükler için kullanılan yazma ve okuma komutlarıyla gerçekleştirilir. UNIX işletim sisteminde pipe olarak adlandırılan posta kutularının kimlikleri (adları) bulunmaz. Bu nedenle, pipe sadece ata-oğul yakınlığındaki görevler tarafından kullanılabilirler. 29 30 pipe Kullanım Örneği-1 /* cc -o ata a ata.c a.c komutuyla derlenen ana.c */ #include <stdio.h> main(){ int i, pfd[2], boy; char fdstr[10], msg[80]; pipe(pfd); if(fork()==0){ close(pfd[1]); /*cocuk da yazma ucunu kapa*/ sprintf(fdstr,"%d",pfd[0]); execlp("./cocuk", cocuk",fdstr,null); exit(0); pipe Kullanım Örneği-2 /* cc -o cocuk cocuk.c komutuyla derlenen kız.c */ #include <stdio.h> main(int argc, char *argv[]) { int i, fd, nread; char s[80]; fd = atoi(argv[1]); nread = read(fd,s,sizeof(s)); /*gelen mesajı oku*/ printf ("reading %d bytes: %s\n",nread,s); close(pfd[0]); /* ata da okuma ucunu kapa */ boy = getline(msg); /* klavyeden mesajı oku */ write(pfd[1],msg,boy); /* posta kutusuna yaz */ wait(); /* cocuk un sonlanmasını bekle */ 31 32

pipe Komutu pipe adlı posta kutuları, (shell) komut yorumlama katmanında kullanıcılara, sistem komutlarıyla birlikte kullanılan biçimleriyle yansır. UNIX Shell de Pipe Kullanımı Örneği fork() shell Örnek: ls -l less shell exec( ls -l ) ls ls sistem komutu, ürettiği kütük listesini, pipe üzerindenless komutuna aktarır.less komutu bu çıktıyı sayfa sayfa görüntüler. fork() pipe pipe shell exec( less ) less 33 34 UNIX te FIFO UNIX System III den başlayarak named pipe (FIFO) kavramı getirilmiştir. FIFO, aralarında ata-oğul ilişkisi olmayan görevler arasında veri iletişimi ve zamanuyumlama için getirilmiştir. FIFO kütüğünün adı üzerinde anlaşan görevler open(), read(), write(), close() gibi sistem çağrılarını kullanarak FIFO kütüğüne erişebilirler. Monitor Monitor, birlikte çalışan görevlerin, ortak kaynağa erişim yapan yordamlarının (kritik kesimlerinin) toplandığı kümeye verilen addır. Görevlerin monitorda yer alan bir yordamı çağırmaları monitor e girmeleri olarak nitelenir. Bir görev monitor içindeki bir yordamın işletimini tümüyle tamamlamadan diğer bir görev monitor içinden yordam çağıramaz. Program derleme aşamasında, monitor biçiminde tanımlanan kesimlerin başına, karşılıklı dışlamayı sağlayacak komutlar derleyici tarafından eklenir. 35 36

Monitor İçinde Kilitlenme Bir üretici/tüketici görev senaryosunda, üretici görevin monitora girerek, yastık dolu iken buraya yeni bir tutanak eklemeye çalışması durumunda beklemeye alınması gerekir. Aynı şekilde, tüketici görev yastık boşken monitora girip yastıktan bir tutanak okumaya çalışırsa, görevin beklemeye alınması gerekir. Üretici/tüketici görev, gerekli önlemler alınmadan beklemeye alınırsa, hala monitor içinde göründüğünden diğer görevin monitora girmesi engellenir. Bu durumlarda, diğer görevin bekleme durumu son bulamayacağından, kilitlenme olarak bilinen, görevlerin karşılıklı bekleşme durumu ortaya çıkar. 37 wait/signal Komutları Monitor içindeki kilitlenmeleri engellemek için wait ve signal komutları öngörülmüştür. wait(kosul-degiskeni) komutu kendisini çalıştıran görevi koşul değişkenine bağlı bekleme kuyruğuna koyar. signal(kosul-degiskeni) komutu koşul değişkenine bağlı kuyruktaki bir görevi hazır görev durumuna getirir. Monitora girmiş bir görev, wait komutunu çağırdığında, başka görevlerin de monitora girmesine imkan tanımış olur. 38 Monitor Kullanım Örneği - 1 monitor üretici-tüketici tüketici condition dolu,boş; int sayaç; tutanakekle(char *tutanak) { if(sayaç == N) {wait(dolu); tutanakyaz(tutanak); sayaç++; if(sayaç == 1) {signal(boş); tutanakal(char *tutanak) { if(sayaç == 0) {wait(boş); tutanakoku(tutanak); sayaç--; if(sayaç == (N-1)) {signal(dolu); üretici-tüketici tüketici ends Monitor Kullanım Örneği 2 char tutanak[80]; kullanıcı() { while(true){ çıktı-üret(tutanak); üretici-tüketici.tutanakekle(tutanak); char tutanak[80]; yazıcı() { while(true){ üretici-tüketici.tutanakal(tutanak); dök(tutanak); 39 40

JAVA da Monitor Kavramı JAVA da bir nesneye erişim yapan yordamların synchronized tanımı, monitor kavramına benzer yaklaşımdır. Paylaşılan nesneyle ilgilisynchronized tanımlı herhangi bir yordamı, en çok bir işletim dizisinin işletmesi sağlanır (karşılıklı dışlama). Bir işletim dizisi, paylaşılan nesneyle ilgilisynchronized tanımlı bir yordamın işletimini tümüyle tamamlamadan, başka bir işletim dizisi aynı nesneye ilişkinsynchronized nitelikli başka bir yordamı işletmeye kalkarsa, otomatik olarak bekler duruma geçer. Thread ler Arası Zamanuyumlama için Problemli Bir Java Sınıf Örneği class Counter { private int count = 0; public void add(int val) { int y = count; y = y + val; count = y; public void sub(int val) { int y = count; y = y - val; count = y; 41 42 Thread ler Arası Zamanuyumlama için Problemli Bir Java Sınıf Örneği Counter sınıfından bir nesne tanımlanır ve eğer birden fazla thread tarafından bu nesne kullanılırsa, thread ler arası zaman uyumlama olmadığı için count değerini güncellemede hatalar oluşabilir. Örneğin birden fazla thread aynı anda add method unu çağırırsa ve ikisi de aynı count değerini okursa günleme hatası oluşur. Syncronized Java Sınıf Örneği class SyncronizedCounter { private int count = 0; public synchronizedvoid add(int val) { int y = count; y = y + val; count = y; Bu sorunu düzeltmek için add ve sub method ları syncronized olarak tanımlanmalıdır. Böylece bir thread add method unu çağırdığı zaman, diğer thread ler add veya sub method unu çağırırsa bekleme durumuna alınırlar. 43 public synchronized void sub(int val) { int y = count; y = y - val; count = y; 44

Bariyer (Barrier) Kavramı Bariyer kullanımı Bir bariyere yaklaşan görevler Biri hariç bloklanan 3 görev Son görev de bariyere ulaşınca, bütün görevler işletime devam ederler. 45 Dağıtılmış İşlem (Distributed Processing) Semaforlar gibi alt düzey işleçler, tek işlemcili ya da ortak bir ana belleğe sahip çok işleyicili sistemler üzerinde kullanılabilirler. Ağlar içinde bütünleşmiş bilgisayar sistemlerinin ortak bellekleri yoktur. Semaforlara dayalı zamanuyumlama düzenekleri, farklı bilgisayarlar üstünde çalışan görevler için kullanılamazlar. Tek bir uygulamanın, bir ağ içinde birden fazla bilgisayar sistemini aynı anda kullanabilmesine sağlayan işlem türüne dağıtılmış işlem adı verilir. 46 Uzaktan Yordam Çağırma Alt Düzey veya Üst Düzey Zamanuyumlama? UNIX System V ile birlikte, shared memory, semaphore gibi alt düzey araçlar da posta kutularına alternatif olarak kullanılabilmektedir. Üst düzey araçlar programlama kolaylığı sağlar. Alt düzey araçlar, kullanım kolaylığından ödün vererek daha yüksek performans elde etmeye imkan tanır. Bilgisayar sistemlerindeki uzaktan yordam çağırma (remote procedure call) düzenekleri, dağıtılmış işleme olanak sağlar. send vereceive komutları, dağıtılmış işlem ortamında kullanılabilen tek zamanuyumlama araçlarıdır. 47 48

Yemek Yiyen Felsefeciler Problemi (Dining Philosophers) Felsefeci düşünür veya yemek yer. Yemek için 2 çatala ihtiyacı vardır. 2 çatalı aynı anda alamaz. Önce birini sonra ötekini alır. Kilitlenme nasıl oluşabilir? Kilitlenmeyi nasıl önleriz? Yemek Yiyen Felsefeciler Problemi Yanlış bir yaklaşım: 49 50 Görevler Arası Kilitlenme Kilitlenmeyi Oluşturan Koşullar Karşılıklı Dışlama: Bir kaynağın aynı anda yalnız bir görev tarafından kullanılabilmesi. İstem üzerine kaynak atama: Görevin gereksediği kaynakları, teker teker, işletim aşamasında elde etmesi. Kaynak bırakmama: Atanan kaynakların, görevler serbest bırakmadıkça geri alınamaması. Döngüsel Bekleme: Bir görevin elinde tuttuğu kaynaklardan bir ya da daha çoğunun, başka görevlerce de istenmesi. 51 52

Kilitlenmeyi Çözme Yaklaşımları Kilitlenmelere karşı 3 temel yaklaşım: Kilitlenmelerden korunma Kilitlenmelerden sakınma Kilitlenmelerin özdevinimli olarak yakalanması ve ortadan kaldırılması, Kilitlenmelerden Korunma 1. Tüm kaynakları sağlanmadan işlerin görevlerin tanımları yapılmaz. Görevler işletim aşamasında ek kaynak isteminde bulunamazlar. Sorun: Kullanıcılar, işletim aşamasına ilişkin tüm olasılıkları düşünerek kaynak istemleri hakkında abartılı davranabilirler. 2. Görevler, gereksedikleri kaynakları baştan belirler ve kaynakları, sırayla kilit altına almaya çalışırlar. Eğer bir kaynak başka bir görev tarafından kilit altına alınmışsa, o ana kadar kilitlenen kaynak serbest bırakılarak işlemlere yeniden başlanır. Veritabanlarında iki aşamalı kilitleme (two phase locking) 53 54 Kilitlenmelerden Korunma Kilitlenmelerden Korunma 3. Atanan kaynaklar, görevlerin istemleri dışında da sistemce geri alınabilir. Sorun: Tüm kaynaklar için uygulanması mümkün olmaz. 4. Kaynaklar belirli kümelere ayrılır ve bu kümeler numaralanarak sıralanır. Görevler aynı kümede bulunan kaynaklar için birden çok atama isteminde bulunmazlarsa; (i) ninci kümeden kaynak sağlamış bir görev, yeni bir kaynak istemini yalnızca (i+1), (i+2),..., (i+n) gibi daha üst sıralardaki kümelerden yaparsa; (i) ninci kümedeki kaynaklar, (i-1) inci kümedeki kaynaklardan önce serbest bırakılmak zorunda ise kilitlenme oluşmayacağı kanıtlanabilir. 55 (4. Yöntemin devamı) - Sıradüzensel kaynak atama ile kilitlenmelerden korunma: 56

Kilitlenmelerden Sakınma Banker algoritması (Dijsktra 1965) Örnek: Bankerin toplam sermayesinin 10 TL ve ödünç alınan miktarların tablodaki gibi olduğunu varsayın. 3. müşteri 1 TL daha ödünç almak isterse ve banker verirse, banker iflas eder. Kilitlenmelerin Yakalanması ve Ortadan Kaldırılması Görevlerin kaynak istemlerine ilişkin herhangi bir kısıtlamaya gitmeden kilitlenmelerin oluşmasını beklenir Kilitlenme oluştuğunda, nedenleri belirlenerek ortadan kaldırılmaya çalışılır. Kilitlemenin nedenlerini bulmak için, hangi kaynakların hangi görevlere atandığını gösteren, kaynak çizgeleri kullanılır. 57 58 Kilitlenmelerin Yakalanması ve Ortadan Kaldırılması 59