Modelagem e implementação de programas concorrentes

Transcrição

1 Modelagem e implementação de programas concorrentes Aula 3 DCC-UFMG 2010

2 Bibliograa G.R. Andrews. Foundations of Multithreaded, Parallel, and Distributed Programming. Addison-Wesley, M. Ben-Ari. Principles of concurrent and distributed programming, second edition. Addison-Wesley, Maurice Herlihy. The art of multiprocessor programming

3 Lembrando, programas concorrentes Podem ser executados em um processador, intercalando os passos da execução de cada processo (interleaving), em processadores da mesma máquina (denição usual de paralelismo), em nós distribuídos pela rede; Desao: interação entre os diferentes processos que formam o programa; Lamport, 1986: A relação causal ente as operações lógicas é invalidada devido ao interleaving arbitrário das operações

4 Denições Ações (ou instruções) atômicas: Ações que indivisivelmente examinam ou modicam o estado do programa; Uma ação atômica não pode ter estados intermediarios visíveis a outros processos; A nenhum processo pode permitir-se modicar variáveis acessadas pro uma ação atômica enquanto ela está sendo executada. Ações atômicas podem ser de grau no (instruções de hardware, exemplo, leitura/escrita de valores de tipos básicos) ou grau grosso (combinação de ações atômicas de grau no usando um mecanismo de sincronização chamado de exclusão mútua). Notação < e >

5 Denições Estado de um programa concorrente: valores das variáveis do programa (explícitas e implícitas, como o PC) em um determinado instante no tempo. Estado compartilhado: Estado lido ou escrito por mais de um processo; Programa concorrente: Conjunto nito de processos sequênciais, escritos usando um conjunto nito de instruções atômicas. Nosso modelo: Um programa concorrente executa uma seqüência de instruções atômicas obtida intercalando arbitrariamente as instruções atômicas de cada processo.

6 Denições Uma computação é uma seqüência de execução que pode ocorrer como resultado de um interleaving. Possíveis seqüências devem respeitar a execução sequencial de cada processo individual. Executar uma instrução corresponde a fazer a transição de um estado a outro.

7 Denições Computações serão também chamadas aqui de histórias (ou cenário no Ben-Ari); Uma história pode ser representada por um caminho dirigido através do diagrama de estados que representa o programa, começando pelo estado inicial. Ciclos no diagrama de estados representam a possibilidade de computações innitas em um grafo nito;

8 Exemplo, uma história integer n 0 p q integer k1 1 integer k2 2 p1: n k1 q1: n k2 Representação tabular de uma historia. Qual seria? (linha==estado) Process p Process q n k1 k2 p1: n k1 q1: n k (end) q1: n k (end) (end) 2 1 2

9 Denições Condição de corrida(race condition): ocorre quando o resultado da computação concorrente depende da ordem em que as operações dos processos componentes são executadas; A sincronização é necessária quando operações executadas por vários processos devem obedecer uma série de restrições, restringe o conjunto de histórias possíveis a aquelas desejáveis. Notação Andrews: < await(b)s; >: (atômicamente) S só será executado quando o B for verdadeiro.

10 Sincronização Restringe o conjunto de histórias possíveis a aquelas desejáveis Dado o array a[1:n] de inteiros positivos, encontrar o valor máximo m examinando todos os elementos em paralelo Objetivo: (for all j : 1 <= j <= n : m >= a[j]) and (there exists j : 1 <= j <= n : m = a[j]) var m := a[0] process FindMax(i := 1 to n) body end

11 Sincronização body do Programa 1 sem sincronização (sem restrições) int m=a[0]; co [i=0 to n-1] { if (a[i] > m) m = a[i]; } O que está errado com o programa?

12 Sincronização body do Programa 2 ação atômica unica (serializado) int m=a[0]; co [i=0 to n-1] { < if (a[i] > m) m = a[i]; > } Qualquer ordem

13 Speedup Speedup S: relação entre o tempo que leva a um processador completar a tarefa e o tempo que leva a n processadores concorrentes completar a mesma tarefa. Seja p a fração da tarefa que pode ser executada em paralelo, a parte sequencial leva tempo 1 - p, a paralela p/n. Ou seja, a computação paralelizada leva tempo 1 p + p n e S = 1 1 p+ p n Upper-bound!

14 Speedup Exemplo: 5 pintores estão pintando uma casa com 5 quartos iguais, o speedup esperado comparado ao caso em que tem só 1 pintor é: S = 1 = Entretanto, se um dos quartos tem o dobro do tamanho (assumindo divisão de trabalho por quartos): 1 S = = Evitar no possível a necessidade de execução sequencial!

15 Sincronização body do Programa 3 int m=a[0]; co [i=0 to n-1] { if (a[i] > m) < if (a[i] > m) m = a[i]; > } E agora?

16 Corretude de programas concorrentes Diferentes histórias possíveis dado um mesmo estado inicial. Testes revelam a presença de erros, não a sua ausência. (Estamos testando todas as histórias possíveis?) Propriedade de um programa: Atributo que é verdadeiro em todas as histórias possíveis do programa. A corretude de programas concorrentes (que não terminam) se dene em termos das propriedades das computações, em lugar de em termos do valor nal computado.

17 Corretude de programas concorrentes (correctness properties) A corretude de programas concorrentes (que não terminam) se dene em termos das propriedades das computações, em lugar de em termos do valor nal computado. Tipos de propriedades de corretude: 1. Safety (segurança): O programa nunca entra em um estado ruim (inconsistente, algumas variáveis tem valores não desejados). A propriedade deve sempre ser verdadeira (em cada estado de cada história). 2. Liveness (vitalidade): O programa em algum momento entra em um estado bom (consistente). A propriedade em algum momento será verdadeira (em algum estado de cada história).

18 Corretude de programas concorrentes (correctness properties) 1. Corretude parcial: O programa é parcialmente correto se o estado nal é correto, assumindo que o programa termina. (Safety property) 2. Terminação: o tamanho de todas as histórias é nito (Liveness property). 3. Corretude total: parcial + terminação: o programa é totalmente correto se sempre termina com a resposta correta. 4. Mutual exclusion (Safety property): Estado ruim: mais de um processo ao mesmo tempo dentro da seção crítica (sequencia de ações que aparentam ser atômicas) 5. No starvation (liveness): Em algum momento o processo em espera vai entrar na seção crítica.

19 Corretude de programas concorrentes. Justiça Fairness (Justiça): Garantia de que o processo tem chances de avançar independente do que outros processos façam. A maioria das propriedades liveness dependem da justiça. Justiça fraca: Uma história é fracamente justa se, para cada estado da história, uma instrução que é continuamente habilitada aparece em algum momento na história. Ou seja, se após construir uma história até o estado i (s 0, s 1,..., s i ) o CP de um processo aponta a uma instrução p j que está continuamente habilitada, p j irá aparecer na história como s k para k > i.

20 Exemplo, uma história boolean ag false integer n 0 p q p1: while ag = false q1: ag true p2: n 1 - n q2: Este algoritmo necessariamente termina? Ou seja, ele termina em todas as histórias?

21 Exemplo, uma história boolean ag false integer n 0 p q p1: while ag = false q1: ag true p2: n 1 - n q2: Este algoritmo necessariamente termina? Ou seja, ele termina em todas as histórias? Assumindo justiça fraca, a execução de q1 estará em cada história e o algoritmo é correto no que diz respeito à armação de que sempre termina.