PARA Filozofové, kuřáci a holič

PARA Filozofové, kuřáci a holič Lenka Carr Motyčková 22. duben 2014 PDS Semafory 1

1. Večeřící filozofové (Dijkstra 1968) Problém: N (typicky 5) flozofů sedí u kulatého stolu, přemýšlí nebo jedí pomocí dvou vidliček, kterých je mezi nimi celkem N, každý z nich používá jednu vidličku nalevo a jednu napravo od něj. Dva sousedící flozofové nemohou jíst zároveň a zároveň může jíst nejvýše N/2 z nich 22. duben 2014 PDS Semafory 2

1. Večeřící filozofové (Dijkstra 1968) 22. duben 2014 PDS Semafory 3

1. Večeřící filozofové (Dining philosophers) Vzájemné vyloučení při přístupu k vzájemně se překrývajícím množinám sdílených prostředků i když spíše učebnicový příklad, je podobný skutečným problémům, kdy procesy vyžadují současný přístup k více prostředkům (the problem si not that philosofers hate computer scientists) Požadavky na správné řešení: 1. Filosof může jíst jenom pokud má dvě vidličky 2. Dva flosofové nemohou zároveň držet stejnou vidličku 3. Filosofové nesmí uváznout 4. Absence vyhladovění (férové semafory) 5. Maximální paralelismus 22. duben 2014 PDS Semafory 4

1. Večeřící filozofové: synchronizace Návrh: process Philosopher[i = 0 to 4] { while (true) { # filozof i p emýšlí # zvednutí vidli ek # filozof i jí # položení vidli ek } } potřeba implementovat zvedání a pokládání vidliček, což je sdílený prostředek každou vidličku můžeme reprezentovat semaforem zvednutí vidličky: wait a položení vidličky signal 22. duben 2014 PDS Semafory 5

Večeřící filozofové Semafory implementující atomické akce: semaphore fork[5] wait(fork[i]); wait(fork[(i+1)mod n]); eat; signal(fork[i]); signal(fork[(i+1)mod n]); PROBLÉM: všichni flozofové vezmou 1 vidličku a nemohou vzít druhou => deadlock, cyklické čekání Řešení: Přístup ve stolu v kritické sekci (minimální paralelismus) jeden z flozofů vezme vidličky v opačném pořadí 22. duben 2014 PDS Semafory 6

Večeřící filozofové: řešení pomocí semaforů sem fork[5] = {1, 1, 1, 1, 1}; process Philosopher[i = 0 to 3] { while (true) { wait(fork[i]); wait(fork[i+1]); # get left fork then right eat; signal(fork[i]); signal(fork[i+1]); think; }} process Philosopher[4] { while (true) { wait(fork[0]); wait(fork[4]); # get right fork then left eat; signal(fork[0]); signal(fork[4]); think; jiná řešení:? }} 22. duben 2014 PDS Semafory 7

Večeřící filozofové: řešení pomocí semaforů Ke stolu smí přistoupit jen N -1 flozofů 22. duben 2014 PDS Semafory 8

Večeřící filozofové: férové řešení pomocí semaforů take_forks (i) { wait (mutex) state[i] = HUNGRY; test(i); signal(mutex); wait (s[i]); } put_forks(i) { wait (mutex) state[i] = THINKING; test(left); test(right); signal(mutex); } test(i) { if (state(i) == HUNGRY & state[left]!= EATING & state[right]!= EATING) then {state[i] = EATING; signal (s[i])} } 22. duben 2014 PDS Semafory 9

2. Spící holič Holičství: 1 holič N židlí pro čekající zákazníky 1 křeslo holiče 22. duben 2014 PDS Semafory 10

2. Spící holič Problém: Napište program, který synchronizuje holiče a zákazníky tak, že každý čekající zákazník je někdy obsloužen za následujících podmínek: Když nejsou žádní zákazníci, holič spí Když přijde zákazník a holič spí, zákazník ho probudí a sedne si na křeslo Když přijde zákazník a holič pracuje a je volná židle, zákazník se posadí a čeká Když přijde zákazník a holič pracuje a není volná židle, zákazník opustí holičství Když holič dokončí obsluhu zákazníka, tento odejde a čekající zákazník si sedne na křeslo 22. duben 2014 PDS Semafory 11

2. Spící holič int waiting {0,., n},init 0 // zjišt ní hodnoty semaforu pro odchod zákazníka customers: obec. semaphore {0,., n}, init 0 // mutex: binary semaphore, init 1 //p ístup k waiting sync: binary semaphor, init 0 // holi musí ekat, jinak by obsluhoval dalšího barbers: binary semaphore, init 0 // zákazníka d ív, než by p edchozí odešel 22. duben 2014 PDS Semafory 12

2. Spící holič BARBER wait(customers) //buzení wait(mutex) waiting := waiting 1 signal(barbers) //#volných holičů signal(mutex) // may swap cut customer's hair wait(sync) //uvolnění křesla end_ CUSTOMER wait(mutex) if waiting < n then waiting:= waiting +1 //may swap signal(customers) //buzení signal(mutex) wait(barbers) //#volných holičů get haircut signal(sync) //uvolnění křesla else signal(mutex) fi 22. duben 2014 PDS Semafory 13

3. Problém kuřáků cigaret Problém: Napište program, který synchronizuje agenta a 3 kuřáky: každý kuřák si ubalí cigaretu a vykouří ji. Pro ubalení cigarety jsou potřeba 3 věci: tabák, papírek a zápalka. Jeden (proces) kuřák má neomezenou zásobu tabáku, druhý papírků a třetí zápalek Agent položí na stůl dvě libovolné suroviny. Kuřák, který má zbývající surovinu si vezme zbývající dvě ze stolu a ubalí si cigaretu a kouří. 22. duben 2014 PDS Semafory 14

3. Problém kuřáků cigaret Agent čeká, až kuřák dokouří a potom opakuje cyklus. Kód agenta je neměnnou částí zadání používá 4 semafory; první tři určují, které potřeby jsou na stole čtvrtý semafor udává, kdy má agent čekat a kdy má položit další potřeby na stůl Sdílené proměnné: S: array [1..3] pole binárních semaforů, init 0 //odpovídají potřebám Agent: binární semafor, init 1 Lokální proměnné agenta: int i, j {1,2,3} 22. duben 2014 PDS Semafory 15

3. Problém kuřáků cigaret PROGRAM AGENTA Je částí zadání, signal znamená položení potřeb na stůl set i and j to two different values [1,2,3] // randomly wait(agent) signal(s[i]) signal(s[j]) end_ 22. duben 2014 PDS Semafory 16

3. Problém kuřáků cigaret Pokus o řešení SMOKER WITH PAPER wait(s[2]) wait(s[3]) smoke signal(agent) end_ SMOKER WITH TOBACCO wait(s[3]) wait(s[1]) smoke signal(agent) end_ SMOKER WITH MATCHES wait(s[1]) wait(s[2]) smoke signal(agent) end_ 22. duben 2014 PDS Semafory 17

3. Problém kuřáků cigaret Pokus o řešení vede k deadlocku SMOKER WITH PAPER wait(s[2]) wait(s[3]) smoke signal(agent) end_ SMOKER WITH TOBACCO wait(s[3]) wait(s[1]) smoke signal(agent) end_ SMOKER WITH MATCHES wait(s[1]) wait(s[2]) smoke signal(agent) end_ 22. duben 2014 PDS Semafory 18

3. Problém kuřáků cigaret Helpers zjistí, které potřeby jsou dostupné a signalizují příslušného kuřáka Další sdílené proměnné R:array [1..6] binárních semaforů, init 0 mutex: binární semafor, init 1 // přístup k proměnné t t: integer, init 0 // určuje dostupné prostředky HELPER WITH PAPER wait(s[1]) wait(mutex) t := t +1 if t 1 then signal(r[t]) signal(mutex) end_ HELPER WITH TOBACCO wait(s[2]) wait(mutex) t := t +2 if t 2 then signal(r[t]) signal(mutex) end_ HELPER WITH MATCHES wait(s[3]) wait(mutex) t := t +4 if t 4 then signal(r[t]) signal(mutex) end_ 22. duben 2014 PDS Semafory 19

Hodnoty t: matches tabacco paper t 0 0 1 = 1 R[1] nepoužije se 0 1 0 = 2 R[2] nepoužije se 0 1 1 = 3 R[3] kouří vlastník zápalek 1 0 0 = 4 R[4] nepoužije se 1 0 1 = 5 R[5] kouří vlastník tabáku 1 1 0 = 6 R[6] kouří vlastník papírků 22. duben 2014 PDS Semafory 20

3. Problém kuřáků cigaret Helpers zjistí, které potřeby jsou dostupné a signalizují příslušného kuřáka Další sdílené proměnné R:array [1..6] binárních semaforů, init 0 mutex: binární semafor, init 1 t: integer, init 0 HELPER WITH PAPER // 1 // t = 3, 5 wait(s[1]) wait(mutex) t := t +1 if t 1 then signal(r[t]) signal(mutex) end_ HELPER WITH TOBACCO // 2 // t = 3, 6 wait(s[2]) wait(mutex) t := t +2 if t 2 then signal(r[t]) signal(mutex) end_ HELPER WITH MATCHES // 4 // t = 5, 6 wait(s[3]) wait(mutex) t := t +4 if t 4 then signal(r[t]) signal(mutex) end_ 22. duben 2014 PDS Semafory 21

3. Problém kuřáků cigaret Další sdílené proměnné R:array [1..6] binárních semaforů, init 0 mutex: binární semafor, init 1 t: atomická proměnná, init 0 SMOKER WITH PAPER // 1 wait(r[6]) t:= 0 smoke signal(agent) end_ SMOKER WITH TOBACCO // 2 wait(r[5]) t:=0 smoke signal(agent) end_ SMOKER WITH MATCHES // 4 wait(r[3]) t:=0 smoke signal(agent) end_ 22. duben 2014 PDS Semafory 22