Teil 1

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Algorithmen und Programmierung IV:
Nichtsequentielle Programmierung
Robert Tolksdorf
Freie Universität Berlin
Überblick
Inhalt
• Prozessprioritäten
• Auswahlstrategien
• Alterungsmechanismen
3
4 Ablaufsteuerung
Ablaufsteuerung
• Ablaufsteuerung (scheduling) =
• Zuteilung von Betriebsmitteln (resources)
• wieder verwendbaren oder
• verbrauchbaren
an Prozesse, z.B.
•
•
•
•
Prozessor (wieder verwendbar),
Speicher (wieder verwendbar),
Nachrichten (verbrauchbar),
Ereignisse (verbrauchbar)
5
4.1 Prozeßprioritäten
• Def.:
Priorität eines Prozesses =
einem Prozess (task, thread, …) zugeordnetes Attribut,
üblicherweise eine natürliche Zahl, das zur Entscheidung
über die Zuteilung von Betriebsmitteln herangezogen
wird.
• Priorität wird einem Prozess bei der Erzeugung (explizit
oder implizit) zugeteilt und kann eventuell
programmgesteuert verändert werden.
6
Beispiel Java
• Java:
• Thread.MIN_PRIORITY
• Thread.NORM_PRIORITY
• Thread.MAX_PRIORITY
= 1
= 5
= 10
• Der Urprozess (main thread) hat die Priorität 5.
• Ein Thread vererbt seine Priorität an seine Kinder.
• Abfragen der Priorität mit
• Ändern der Priorität mit
int getPriority()
void setPriority(int p)
7
Beispiel Java
• Die JVM kann bei der Zuteilung von Prozessorkapazität
an die Threads die Prioritäten berücksichtigen, muss
aber nicht.
• Typische, sinnvolle Prioritätenvergabe:
• 2-3
• 4-6
• 7-9
Rechnen
Ein/Ausgabe
schnelle Ein/Ausgabe
(Interaktion, harte Realzeit-Anforderungen)
• Nicht vergessen: im Mehrprozessbetrieb erhält die JVM
bereits vom Betriebssystem nur ein Teil der
Prozessorkapazität!
8
Experiment
[Mario Jeckle]
• Programm startet 10 Threads mit unterschiedlichen
Prioritäten
• Jeder Thread zählt eine Variable bis zu einer Obergrenze
(10000000) hoch
• Zeit zwischen Start und Termination der Threads wird
gemessen
• Vermutung:
• Thread mit höchster Priorität braucht am wenigsten Zeit
• Thread mit niedrigster Priorität braucht am meisten Zeit
• [http://www.jeckle.de/vorlesung/javaThreads/script.html#adv]
9
SunOS 5.10
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
with
with
with
with
with
with
with
with
with
with
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
10 took 3152ms
9 took 3014ms
8 took 2716ms
7 took 2905ms
6 took 3249ms
5 took 3479ms
4 took 3557ms
3 took 1725ms
2 took 1968ms
1 took 1580ms
• Java(TM) 2 Runtime Environment, Standard Edition (build
•
1.5.0_11-b03)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 1.5.0_11-b03, mixed
mode, sharing)
10
Debian GNU/Linux 2.6.14.2
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
with
with
with
with
with
with
with
with
with
with
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
10 took 184ms
9 took 160ms
8 took 144ms
7 took 292ms
6 took 501ms
5 took 489ms
4 took 430ms
3 took 375ms
1 took 642ms
2 took 337ms
• Java(TM) 2 Runtime Environment, Standard Edition (build
•
1.5.0_06-b05)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 1.5.0_06-b05, mixed
mode, sharing)
11
Win32 Test, Obergrenze 10000000
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
with
with
with
with
with
with
with
with
with
with
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
10 took 47ms
9 took 47ms
8 took 46ms
7 took 63ms
6 took 63ms
5 took 46ms
4 took 109ms
3 took 47ms
2 took 47ms
1 took 62ms
• Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_01-b06)
• Java HotSpot(TM) Client VM (build 1.6.0_01-b06, mixed
mode, sharing)
12
Win32 Test, Obergrenze 500000000
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
Thread
with
with
with
with
with
with
with
with
with
with
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
priority
10 took 2531ms
9 took 2547ms
8 took 5156ms
7 took 2828ms
5 took 3532ms
6 took 8140ms
4 took 5453ms
3 took 9437ms
2 took 9234ms
1 took 15718ms
• Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_01-b06)
• Java HotSpot(TM) Client VM (build 1.6.0_01-b06, mixed
mode, sharing)
13
Java ...
•
Die Verwendung von Prioritäten ist völlig der
Implementierung der JVM überlassen
1. praktiziert entweder eigenes Threading (user-level)
2. oder nutzt Kernel-Level Threading (falls vorhanden)
(Beispiele: Windows, Solaris)
3. oder nutzt schwergewichtige Prozesse mit
gemeinsamen Segmenten (Beispiel: Linux)
14
Eigenes Threading in Java
• In verschiedenen (alten) Java Implementierungen wird
nicht auf unterliegende Threads des Betriebssystems
zurückgegriffen
• Die JVM ist ein Prozess mit einer bestimmten Priorität
aus Betriebssystemsicht
• Höchste JVM Priorität bewirkt keine hohe Systempriorität!
JVM
JT1
JT2
JT3
OS
OT1
CPU
CPU
15
Threading in Java
Priorisierte präemptive Auswahl
• Einfaches Modell („green threading“, JDK 1.0)
• Wenn ein Thread mit höherer Priorität als der aktuell
laufende ausführbereit wird, erhält er Vorrang und wird
ausgeführt („preemption“, Bevorrechtigung, präemtiv)
• Der Thread läuft bis er
• Thread.sleep() macht
• Eine Sperre mit synchronized haben will (also im Waitset
landet)
• Bei I/O blockiert
• yield() aufruft
• Terminiert
• Threads gleicher Priorität werden der Reihe nach
bevorrechtigt (Round-Robin)
16
Threading in Java
Timeslicing
• Zeitscheibenverfahren:
Ein laufender Thread wird nach einer festen Zeitspanne
unterbrochen und der nächste wird nach priorisierter
präemptiver Auswahl ausgeführt
priorisiert präemptiv
… mit Zeitscheiben
[Patrick Niemeyer, Josh Peck. Exploring Java. O'Reilly 1998]
17
Betriebssystem Threads in Java
• Moderne Java Implementierungen nutzen Threads die
vom Betriebssystem angeboten werden
• Solaris – Pools
Win32 - Bindung
JVM
JT1
OT1
CPU
JT2
OT2
JT3
OT3
CPU
JVM
JT1
OS
OT1
CPU
JT2
OT2
JT3
OT3
OS
CPU
18
Betriebssystem Threads in Java
• Welche Priorität haben die Betriebssystem Threads?
• Win32, JDK 1.4:
• [http://www.jeckle.de/vorlesung/javaThreads/script.html#adv]
19
Prioritätenvergabe vs. Synchronisation
• Achtung 1:
Prioritätenvergabe ist kein Ersatz für Synchronisation!
• Achtung 2:
Gefahr der Prioritätsumkehr (priority inversion), z.B.
bei Einprozessorsystem:
• 3 Prozesse A, B, C mit abfallenden Prioritäten a,b,c
• C betritt kritischen Abschnitt k, weckt B und wird von B
verdrängt, d.h. belegt weiterhin k;
• B weckt A und wird von A verdrängt,
• A blockiert beim Eintrittsversuch in k;
• solange B nicht blockiert, hat A keine Chance!
• Lösungstechnik: spezielle Sperroperationen, die für
temporäre Prioritätserhöhung sorgen.
20
4.2 Auswahlstrategien
• Problem:
Wenn mehrere Prozesse auf Betriebsmittelzuteilung
bzw. auf ein bestimmtes Ereignis warten (mit when,
wait, P, join, ...)
und
beim Eintreten des Ereignisses nicht alle aufgeweckt
werden können/sollen, welche ?
• ¼ Auswahlstrategie (scheduling policy)
21
Fairness
• Def.: Eine Auswahlstrategie heißt fair, wenn jedem wartenden
•
Prozess garantiert ist, dass ihm nicht permanent und
systematisch andere Prozesse vorgezogen werden.
(Auch: Von einer endlichen Anzahl nebenläufiger Prozesse ist
in einem unendlichen Betriebsablauf jeder einzelne unendlich
oft aktiv)
Eine Auswahlstrategie heißt streng fair (strong fairness,
compassion): Wenn ein Prozess blockiert, kann eine obere
Schranke für die Anzahl der Prozesse angegeben werden, die
ihm vorgezogen werden;
• (Auch: Wenn ein Prozess unendlich oft ausführbereit ist, wird er
unendlich oft aktiviert)
• Eine Auswahlstrategie heißt schwach fair (weak fairness,
justice): sonst
• (Auch: Wenn ein Prozess ausführbereit bleibt, wird er unendlich
oft aktiviert)
22
Unfairness
• Bei unfairer Auswahlstrategie droht den Prozessen
unbestimmte Verzögerung
(indefinite delay, starvation)
• Achtung:
In Java gibt es keinerlei Fairness-Garantien !
23
Faire Auswahlstrategien
•
Typische Auswahlstrategien und ihre Fairness:
1. zufällig
2. der Reihe nach
(first-come, first-served, FCFS,
first-in, first-out, FIFO)
3. prioritätsgesteuert
4. anwendungsspezifisch
schwach fair
streng fair
unfair
(je nachdem)
24
4.2.1 Anpassung der Auswahlstrategie
• Ausgangslage:
Verfügbare Sprachkonstrukte verfolgen eine unpassende
Strategie
• Beispiele:
• strenge Fairness benötigt, aber in Java nicht garantiert
• Semaphore mit FCFS verfügbar, aber Auswahl sollte
eigentlich prioritätsgesteuert erfolgen
• anwendungsspezifische Strategie benötigt
25
Anpassung der Auswahlstrategie
•
Konsequenz:
im Eigenbau
1. entweder wieder verwendbare Varianten der
Synchronisationskonstrukte bereitstellen ¼ 4.2.1.1
2. oder Ad-hoc-Strategie programmieren ¼ 4.2.1.2
26
4.2.1.1 Prioritätsgesteuerte
Semaphore
interface ISemaphore { // scheduling unspecified
void P();
void V();
}
class Semaphore implements ISemaphore { // FCFS
...
}
class PrioSemaphore implements ISemaphore {
public PrioSemaphore(int init) { count = init; }
private int count;
private final Semaphore mutex = new Semaphore(1);
private final PrioSet prios = new PrioSet();
27
Prioritätsgesteuerte Semaphore
class PrioSet { // set of pairs (int, Semaphre)
.....
public void add(int prio, Semaphore sema) {...}
// adds pair (prio,semaphore)
public Semaphore rem() {...}
// delivers semaphore with highest priority
// and removes entry
}
28
Prioritätsgesteuerte Semaphore
public void P() { // this is the modified P
mutex.P();
count--;
if(count>=0) mutex.V();
else {
Semaphore ready = new Semaphore(0);
prios.add(Thread.currentThread().getPriority(), ready);
mutex.V();
ready.P();
}
}
29
Prioritätsgesteuerte Semaphore
public void V() { // this is the modified V
mutex.P();
count++;
if(count<=0) {
Semaphore ready = prios.rem();
ready.V(); }
mutex.V();
}
}
• Beachte:
1. Die Semaphore ready sind private Semaphore, d.h. bei ihnen
blockiert jeweils höchstens ein Thread.
2. Die kritischen Abschnitte (mutex) sind kurz genug, dass sie
keinen Engpass darstellen.
¼ Daher ist es irrelevant, welche Auswahlstrategie von Semaphore
praktiziert wird.
30
Wahl einer Sperroperation
• langfristiges Sperren realer Betriebsmittel:
Auswahlstrategie wählen, gegebenfalls selbst
implementieren
• kurzfristiges Sperren kritischer Abschnitte:
Auswahlstrategie irrelevant
• sofern kein Engpass bei der Benutzung der Ressource bzw.
des kritischen Abschnitts vorliegt !
• sonst: Entwurf revidieren –
lange Prozesswarteschlangen sind in jedem Fall unsinnig –
wie auch immer die Auswahl praktiziert wird.
31
4.2.1.2 Anforderungsbezogene
Auswahl
• bei jeder Art von Anforderung mehrerer Ressourcen z.B.
• verallgemeinerte P/V-Operationen (3.3.1)
• request(n) , release(n)
• und ähnliche
• Häufig ist Effizienz wichtiger als Fairness, z.B.
• gute Ressourcen-Ausnutzung
• kurze Reaktionszeiten
32
Anforderungsbezogene Auswahl
• Beispiele für effizienzorientierte Auswahlstrategien bei
request(n)/ release(n):
• SRF (smallest request first):
die kleinsten Anforderungen sollen vorrangig bedient
werden
• LRF (largest request first):
die größten Anforderungen sollen vorrangig bedient
werden
• (jedenfalls nicht die, welche am längsten warten;
weitere Alternativen sind möglich.)
33
Anforderungsbezogene Auswahl
• LRF mit Verwendung von PrioSet (4.2.1.1) mit
Operationen
• public int top(int limit)
• liefert den höchsten prio-Wert im PrioSet , der limit nicht
übersteigt (0, falls kein solcher vorhanden)
• public Semaphore rem(int limit) (modifiziert)
• liefert das zugehörige Semaphor und löscht den Eintrag
34
Anforderungsbezogene Auswahl
class Resources {// LRF – largest request first
public Resources(int init) { avail = init; }
private int avail;
private final PrioSet claims = new PrioSet();
public void request(int claim) {
Semaphore ready;
synchronized(this) {
if (claim<=avail) {
avail -= claim;
return; }
else {
ready = new Semaphore(0);
claims.add(claim,ready);
}
}
ready.P();
}
35
Anforderungsbezogene Auswahl
public synchronized void release(int free) {
avail += free;
do {
int claim = claims.top(avail);
if(claim == 0) return;
else {
avail -= claim;
claims.rem(avail).V();
}
} while(true);
}
}
• Beachte:
• Das Blockieren in request muß außerhalb des kritischen
Abschnitts erfolgen
• In release werden i.a. gezielt mehrere Threads aufgeweckt
• Durch Modifikation der Klasse PrioSet können verschiedene
Strategien realisiert werden
36
4.2.2 Fairness durch
Alterungsmechanismen
• Gegensätzliche Ziele bei Auswahlstrategien:
•
•
•
•
Ziel:
Fairness:
Beispiel:
Kriterium:
Effizienz
unfair
SRF
Anforderungen
Gleichbehandlung
streng fair
FIFO
Wartezeit
• Spektrum von Kriterien:
• Anforderungen
Wartezeit
anforderungsorientiert + Alterungsmechanismus
(ageing)
37
Alterungsmechanismen
• Beispiel:
Alterungsmechanismus für SRF:
• Auswahl nach Rangordnung 1,2,3,...
(hoher Rang = kleine Rangzahl)
• Rang =
Anforderung + Malus
• Malus =
Zeitpunkt des request, gemessen in
Anzahl der begonnenen requests
• Einem release wird genau dann stattgegeben, wenn die
Anforderung erfüllt werden kann und die kleinste Rangzahl
hat. (Bei Gleichrangigkeit zweier erfüllbarer
Anforderungen...)
38
Alterungsmechanismen
• Buchführung über Anforderungen und Ränge mittels
class Ranking { // set of triples (int rank, int claim, EVENT e)
.....
public void add(int rank, int claim, EVENT e){...}
// adds triple (rank,claim,e)
public EVENT rem() {...}
// delivers event with highest rank
// and removes entry (if any, else null)
public int firstRank() {...}
// delivers highest rank (if any, else MAX)
public int firstClaim() {...}
// delivers corresponding claim (or MAX)
}
39
Beispiel-Szenario
Thread request release counter
0
p
q
r
s
t
p
q
u
q
s
1
4
4
1
1
1
2
3
4
5
added
6
1
1
available
5
p
q
4
0
0
0
0
s
t
0
2
2
3
0
(7,4,R)
(5,1,S)
(6,1,T)
1
3
2
grantee
(8,2,U)
r
40
Alterungsmechanismen
MONITOR Resources { // SRF, with ageing
// Monitor and Events!
public Resources(int n) {available = n;}
protected int available;
protected int counter;
protected final Ranking ranking = new Ranking();
public void release(int n) {
available += n;
tryWakeup();
}
protected void tryWakeup() {
if(ranking.firstClaim() <= available){
available -= ranking.firstClaim());
ranking.rem().SIGNAL();
}
}
// any version of SIGNAL does the job
41
Alterungsmechanismen
public void request(int claim) {
counter++;
int rank = claim + counter;
if (rank <= ranking.firstRank() && claim <= available) {
available -= claim;
return; }
else {
EVENT ready = new EVENT();
ranking.add(rank,claim,ready);
ready.WAIT();
tryWakeup();
}
}
} // end monitor
42
Alterungsmechanismen
• Flexible Positionierung im Spektrum der Strategien:
• anstelle von
rank = claim + counter
• Verwendung von
rank = claim + k*counter
• k ∈ [0, m] (m = maximal mögliche Anforderung)
ermöglicht Tuning
• k = 0 : SRF
• k = m: FIFO
• ranki < ranki+1 für zwei aufeinanderfolgende requests
43
Zusammenfassung
Zusammenfassung
• Prozessprioritäten
• Auswahlstrategien
• Fairness
• Alterungsmechanismen
45
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