Prinzipien, Modelle und Algorithmen der
Nebenl¨ aufigen Programmierung
Wintersemester 2019/20
Zugriff auf mehrere Ressourcen
Prof. Dr. David Sabel
LFE Theoretische Informatik
Letzte ¨Anderung der Folien: 10. Dezember 2019
Ubersicht ¨
1 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Einleitung
Deadlock-Verhinderung Deadlock-Vermeidung
2 Transactional Memory Einleitung
ACID-Eigenschaften Operationen
Merkmale
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 2/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlocks bei mehreren Ressourcen
Deadlock beim Mutual-Exclusion Problem
Deadlock: Kein Prozess kommt in den kritischen Abschnitt, obwohl mindestens ein Prozess in den kritischen Abschnitt m¨ ochte
Kommt dem Belegen einer Ressource gleich
Wir betrachten nun Prozesse, die mehrere solcher Ressourcen belegen m¨ ochten, wobei die Ressourcen durch Sperren gesch¨ utzt sind.
Die genaue Implementierung der Sperren lassen wir dabei außer Acht (diese k¨ onnen z.B. durch Semaphore oder Monitore erfolgen).
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 3/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlocks bei mehreren Ressourcen (2)
Deadlocks allgemeiner (bei mehreren Ressourcen) Definition
Eine Menge von Prozessen ist deadlocked (verklemmt), wenn jeder (nicht beendete) Prozess aus der Menge auf ein Ereignis wartet, das nur ein anderer Prozess aus der Menge herbeif¨ uhren kann.
Das Ereignis entspricht meist dem Freigeben einer Ressource.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 4/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele
Mutual-Exclusion Problem: Deadlock, wenn es nicht mehr m¨ oglich ist, dass irgendein Prozess den kritischen Abschnitt betritt, obwohl alle Prozesse in den kritischen Abschnitt m¨ ochten
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 5/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (2)
Zwei Prozesse machen Umbuchungen zwischen Konto A und Konto B.
Vorgehensweise:
Sperren des ersten Kontos Sperren des zweiten Kontos
Uberweisung von erstem Konto auf zweites Konto durchf¨ ¨ uhren Entsperren der Konten.
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoB);
wait(KontoB); wait(KontoA);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoB);
signal(KontoB); signal(KontoA);
Deadlock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 6/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (2)
Zwei Prozesse machen Umbuchungen zwischen Konto A und Konto B.
Vorgehensweise:
Sperren des ersten Kontos Sperren des zweiten Kontos
Uberweisung von erstem Konto auf zweites Konto durchf¨ ¨ uhren Entsperren der Konten.
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoB);
wait(KontoB); wait(KontoA);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoB);
signal(KontoB); signal(KontoA);
Deadlock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 6/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (2)
Zwei Prozesse machen Umbuchungen zwischen Konto A und Konto B.
Vorgehensweise:
Sperren des ersten Kontos Sperren des zweiten Kontos
Uberweisung von erstem Konto auf zweites Konto durchf¨ ¨ uhren Entsperren der Konten.
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoB);
wait(KontoB); wait(KontoA);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoB);
signal(KontoB); signal(KontoA);
Deadlock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 6/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (2)
Zwei Prozesse machen Umbuchungen zwischen Konto A und Konto B.
Vorgehensweise:
Sperren des ersten Kontos Sperren des zweiten Kontos
Uberweisung von erstem Konto auf zweites Konto durchf¨ ¨ uhren Entsperren der Konten.
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoB);
wait(KontoB); wait(KontoA);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoB);
signal(KontoB); signal(KontoA);
Deadlock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 6/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (3)
Funktionierende L¨ osung (Deadlock-frei)
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoA);
wait(KontoB); wait(KontoB);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoA);
signal(KontoB); signal(KontoB);
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 7/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (3)
Funktionierende L¨ osung (Deadlock-frei)
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoA);
wait(KontoB); wait(KontoB);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoA);
signal(KontoB); signal(KontoB);
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 7/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (3)
Funktionierende L¨ osung (Deadlock-frei)
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoA);
wait(KontoB); wait(KontoB);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoA);
signal(KontoB); signal(KontoB);
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 7/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (3)
Funktionierende L¨ osung (Deadlock-frei)
Prozess P Prozess Q
wait(KontoA); wait(KontoA);
wait(KontoB); wait(KontoB);
buche von A nach B buche von B nach A signal(KontoA); signal(KontoA);
signal(KontoB); signal(KontoB);
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 7/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (4)
Ahnliches Problem bei: Speisende Philosophen ¨
Deadlock m¨ oglich, wenn alle Philosophen unsychronisiert Alle haben die linke Gabel keiner die rechte.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 8/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (5)
Engstelle
Nur ein Fahrzeug kann passieren
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 9/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (6)
Alle warten, dass “rechts frei” ist
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 10/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiele (7)
Gleiches Problem, aber etwas komplizierter
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 11/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Behandlung
Vier Ans¨ atze
1
Ignorieren: Keine Vorkehrungen, Hoffnung, dass Deadlocks nur selten auftreten.
2
Deadlock-Erkennung und -Beseitigung: Laufzeitsystem erkennt Deadlocks und beseitigt sie. Problem: Finde Algorithmus der Deadlocks erkennt.
3
Deadlock-Vermeidung: Algorithmus verwaltet Ressourcen und l¨ asst Situation nicht zu, die zu einem Deadlock f¨ uhren k¨ onnen.
4
Deadlock-Verhinderung: Der Programmierer entwirft die Programme so, dass Deadlocks nicht auftreten k¨ onnen.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 12/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Behandlung
Vier Ans¨ atze
1
Ignorieren: Keine Vorkehrungen, Hoffnung, dass Deadlocks nur selten auftreten.
2
Deadlock-Erkennung und -Beseitigung: Laufzeitsystem erkennt Deadlocks und beseitigt sie. Problem: Finde Algorithmus der Deadlocks erkennt.
3
Deadlock-Vermeidung: Algorithmus verwaltet Ressourcen und l¨ asst Situation nicht zu, die zu einem Deadlock f¨ uhren k¨ onnen.
4
Deadlock-Verhinderung: Der Programmierer entwirft die Programme so, dass Deadlocks nicht auftreten k¨ onnen.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 12/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Behandlung
Vier Ans¨ atze
1
Ignorieren: Keine Vorkehrungen, Hoffnung, dass Deadlocks nur selten auftreten.
2
Deadlock-Erkennung und -Beseitigung: Laufzeitsystem erkennt Deadlocks und beseitigt sie. Problem: Finde Algorithmus der Deadlocks erkennt.
3
Deadlock-Vermeidung: Algorithmus verwaltet Ressourcen und l¨ asst Situation nicht zu, die zu einem Deadlock f¨ uhren k¨ onnen.
4
Deadlock-Verhinderung: Der Programmierer entwirft die Programme so, dass Deadlocks nicht auftreten k¨ onnen.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 12/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Behandlung
Vier Ans¨ atze
1
Ignorieren: Keine Vorkehrungen, Hoffnung, dass Deadlocks nur selten auftreten.
2
Deadlock-Erkennung und -Beseitigung: Laufzeitsystem erkennt Deadlocks und beseitigt sie. Problem: Finde Algorithmus der Deadlocks erkennt.
3
Deadlock-Vermeidung: Algorithmus verwaltet Ressourcen und l¨ asst Situation nicht zu, die zu einem Deadlock f¨ uhren k¨ onnen.
4
Deadlock-Verhinderung: Der Programmierer entwirft die Programme so, dass Deadlocks nicht auftreten k¨ onnen.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 12/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Behandlung (2)
Offensichtlich: Beste Methode: Deadlock-Verhinderung Daf¨ ur muss man wissen:
Unter welchen Umst¨ anden kann ein Deadlock auftreten?
Im folgenden: Bedingungen f¨ ur Deadlock und Deadlock-Verhinderung
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 13/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Wann tritt Deadlock auf?
Vier notwendige Bedingungen (alle gleichzeitig erf¨ ullt):
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein Prozess kann gleichzeitig auf eine Ressource zugreifen,
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Ein Prozess kann eine Ressource anfordern (auf eine Ressource warten), w¨ ahrend er eine andere Ressource bereits belegt hat.
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Jede Ressource kann nur durch den Prozess freigegeben (entsperrt) werden, der sie belegt hat.
4
Zirkul¨ ares Warten: Es gibt zyklische Abh¨ angigkeit zwischen wartenden Prozessen: Jeder wartende Prozess m¨ ochte Zugriff auf die Ressource, die der n¨ achste Prozesse im Zyklus belegt hat.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 14/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Wann tritt Deadlock auf?
Vier notwendige Bedingungen (alle gleichzeitig erf¨ ullt):
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein Prozess kann gleichzeitig auf eine Ressource zugreifen,
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Ein Prozess kann eine Ressource anfordern (auf eine Ressource warten), w¨ ahrend er eine andere Ressource bereits belegt hat.
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Jede Ressource kann nur durch den Prozess freigegeben (entsperrt) werden, der sie belegt hat.
4
Zirkul¨ ares Warten: Es gibt zyklische Abh¨ angigkeit zwischen wartenden Prozessen: Jeder wartende Prozess m¨ ochte Zugriff auf die Ressource, die der n¨ achste Prozesse im Zyklus belegt hat.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 14/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Wann tritt Deadlock auf?
Vier notwendige Bedingungen (alle gleichzeitig erf¨ ullt):
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein Prozess kann gleichzeitig auf eine Ressource zugreifen,
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Ein Prozess kann eine Ressource anfordern (auf eine Ressource warten), w¨ ahrend er eine andere Ressource bereits belegt hat.
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Jede Ressource kann nur durch den Prozess freigegeben (entsperrt) werden, der sie belegt hat.
4
Zirkul¨ ares Warten: Es gibt zyklische Abh¨ angigkeit zwischen wartenden Prozessen: Jeder wartende Prozess m¨ ochte Zugriff auf die Ressource, die der n¨ achste Prozesse im Zyklus belegt hat.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 14/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Wann tritt Deadlock auf?
Vier notwendige Bedingungen (alle gleichzeitig erf¨ ullt):
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein Prozess kann gleichzeitig auf eine Ressource zugreifen,
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Ein Prozess kann eine Ressource anfordern (auf eine Ressource warten), w¨ ahrend er eine andere Ressource bereits belegt hat.
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Jede Ressource kann nur durch den Prozess freigegeben (entsperrt) werden, der sie belegt hat.
4
Zirkul¨ ares Warten: Es gibt zyklische Abh¨ angigkeit zwischen wartenden Prozessen: Jeder wartende Prozess m¨ ochte Zugriff auf die Ressource, die der n¨ achste Prozesse im Zyklus belegt hat.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 14/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Veranschaulichung
Prozess P 1 will Ressource R 1 belegen (hat sie aber nicht):
P 1 R 1
Prozess P 1 hat Ressource R 1 belegt:
P 1 R 1
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 15/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Veranschaulichung der 4 Bedingungen
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein ausgehender (gr¨ uner) Pfeil pro Ressource
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Rote und gr¨ une Pfeile f¨ ur einen Prozess m¨ oglich
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Gr¨ une Pfeile k¨ onnen nicht ver¨ andert werden (außer vom Prozess, der den Pfeil hat)
4
Zirkul¨ ares Warten: Zyklus im Graphen
Verboten:
P 2 R 1
P 1
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 16/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Veranschaulichung der 4 Bedingungen
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein ausgehender (gr¨ uner) Pfeil pro Ressource
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Rote und gr¨ une Pfeile f¨ ur einen Prozess m¨ oglich
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Gr¨ une Pfeile k¨ onnen nicht ver¨ andert werden (außer vom Prozess, der den Pfeil hat)
4
Zirkul¨ ares Warten: Zyklus im Graphen
Erlaubt:
R 1
P 1
R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 16/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Veranschaulichung der 4 Bedingungen
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein ausgehender (gr¨ uner) Pfeil pro Ressource
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Rote und gr¨ une Pfeile f¨ ur einen Prozess m¨ oglich
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Gr¨ une Pfeile k¨ onnen nicht ver¨ andert werden (außer vom Prozess, der den Pfeil hat)
4
Zirkul¨ ares Warten: Zyklus im Graphen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 16/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Veranschaulichung der 4 Bedingungen
1
Wechselseitiger Ausschluss (Mutual-Exclusion): Nur ein ausgehender (gr¨ uner) Pfeil pro Ressource
2
Halten und Warten (Hold and Wait): Rote und gr¨ une Pfeile f¨ ur einen Prozess m¨ oglich
3
Keine Bevorzugung (No Preemption): Gr¨ une Pfeile k¨ onnen nicht ver¨ andert werden (außer vom Prozess, der den Pfeil hat)
4
Zirkul¨ ares Warten: Zyklus im Graphen
P 2 R 1
P 1
R 3
P 3 R 2
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 16/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 17/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3
Request R 2 Request R 3 Request R 1
Release R 1 Release R 2 Release R 3 Release R 2 Release R 3 Release R 1
P 1 P 2 P 3
R 1 R 2 R 3
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Anderes Scheduling
Prozess 1: Prozess 2: Prozess 3:
Request R 1 Request R 2 Request R 3 Request R 2 Request R 3 Request R 1 Release R 1 Release R 2 Release R 3
Release R 2 Release R 3 Release R 1
Deadlock-Verhinderung: Programm so erstellt, dass unabh¨ angig vom Scheduling kein Deadlock auftritt
Deadlock-Vermeidung: Scheduler erkennt Deadlock-Gefahr und schließt diese Schedulings aus
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 18/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Verhinderung
Ansatz: Greife eine der vier Bedingungen an, so dass sie nie wahr wird.
Wechselseitiger Ausschluss: Im allgemeinen schwer m¨ oglich, manchmal aber schon:
Z.B. Druckerzugriff wird durch Spooler geregelt.
No Preemption: Schwierig, man kann z.B. nicht den Zugriff auf den Drucker entziehen, wenn Prozess noch nicht fertig gedruckt hat usw.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 19/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Verhindern von Hold and Wait
M¨ oglichkeit: Prozess fordert zu Beginn alle Ressourcen an, die er ben¨ otigt.
Philosophen: Exklusiver Zugriff auf alle Gabeln 1. Problem: Evtl. zu sequentiell
2. Problem: Oft nicht klar, welche Ressourcen jeder Prozess braucht
Variation dieser L¨ osung: 2-Phasen Sperrprotokoll
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 20/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
2-Phasen Sperrprotokoll
Die Prozesse arbeiten in zwei Phasen Jeder Prozess f¨ uhrt dabei aus:
1. Phase: Der Prozess versucht alle ben¨ otigten Ressourcen zu belegen.
Ist eine ben¨ otigte Ressource nicht frei, so gibt der Prozess alle belegten Ressourcen zur¨ uck und der Prozess startet von neuem mit Phase 1.
2. Phase: Der Prozess hat alle ben¨ otigten Ressourcen Nachdem er fertig mit seiner Berechnung ist, gibt er alle Ressourcen wieder frei.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 21/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 22/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 22/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
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Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 22/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel: Speisende Philosophen
Initial alle Gabeln (Semaphore) mit 1 initialisiert
tryWait: Nicht-blockierende Implementierung von wait:
tryWait(S) =
True, wenn Semaphor belegt werden konnte False, sonst
Phase 1, Phase 2
Philosoph i loop forever
(1) l := tryWait(gabel[i]);
(2) if l then
(3) r:=tryWait(gabel[i+1]);
(4) if r then (5) Philosoph isst (6) signal(gabel[i + 1]);
(7) signal(gabel[i]);
(8) else signal(gabel[i]);
(9) Philosoph denkt;
end loop
P 3 gabel[1]
P 1
gabel[2]
P 2 gabel[3]
Deadlock nicht m¨ oglich!
Aber Livelock!
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 22/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Timestamping-Ordering
Prozesse erhalten eindeutigen Zeitstempel, wenn sie beginnen.
Zwei-Phasen Sperrprotokoll mit Timestamping Jeder Prozess geht dabei so vor:
1. Phase: Der Prozess versucht alle ben¨ otigten Ressourcen auf einmal zu sperren.
Ist eine ben¨ otigte Ressource belegt mit kleinerem Zeitstempel, dann gibt Prozess alle Ressourcen frei und startet von neuem.
Ist eigener Zeitstempel kleiner, dann wartet der Prozess auf die restlichen Ressourcen.
2. Phase: Wenn der Prozess erfolgreich in diese Phase gekommen ist, hat er alle ben¨ otigten Ressourcen. Er benutzt sie und gibt sie anschließend wieder frei.
Beachte: Neue Zeitstempel werden nur vergeben, nach erfolgreichem Durchlauf durch beide Phasen.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 23/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Timestamping-Ordering (2)
Deadlock-frei
Livelock nicht m¨ oglich Starvation-frei.
Definition
Starvation ist eine Situation, in der ein Prozess niemals (nach beliebig vielen Berechnungsschritten) in der Lage ist, alle ben¨ otigten Ressourcen zu belegen.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 24/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Zirkul¨ ares Warten verhindern
Versuche das zirkul¨ are Warten zu verhindern.
Philosophen-Problem: N. Prozess hebt zuerst rechte Gabel Dann kann kein zirkul¨ ares Warten enstehen
Denn die Gabeln wurden total geordnet: 1 < 2 . . . N.
Und die Philosophen haben die Ressourcen entsprechend dieser Ordnung belegt.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 25/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Total-Order Theorem
Allgemein gilt:
Total-Order Theorem
Sind alle gemeinsamen Ressourcen durch eine totale Ordnung geordnet und jeder Prozess belegt seine ben¨ otigten Ressourcen in aufsteigender Reihenfolge bez¨ uglich der totalen Ordnung, dann ist ein Deadlock unm¨ oglich.
Beweis: durch Widerspruch. Annahme: Es gibt einen Deadlock.
D.h. es gibt Ressourcen R 1 , . . . , R n und Prozesse P 1 , . . . , P n mit Prozess P i hat Ressource R i−1 belegt
Prozess P i wartet auf Ressource R i
Sei R j die kleinste Ressource aus {R 1 , . . . , R n } bez¨ uglich der totalen Ordnung. Dann wartet Prozess P j auf Ressource R j , wobei er Ressource R j−1 schon belegt hat. Widerspruch.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 26/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Total Order Theorem (2)
Man kann nachweisen:
Lemma
Ein Deadlock-freies System, indem die Belegung von (allen) einzelnen Ressourcen Starvation-frei ist, ist auch insgesamt Starvation-frei
Mit dem Total Order Theorem l¨ asst sich folgern:
Wenn es eine totale Ordnung der Ressourcen gibt, die Ressourcen entsprechend dieser Ordnung belegt werden und die Belegung einzelner Ressourcen Starvation-frei ist, dann ist das Gesamtsystem Starvation-frei.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 27/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Vermeidung
Erinnerung:
Deadlock-Vermeidung: Algorithmus verwaltet Ressourcen und l¨ asst Situation nicht zu, die zu einem Deadlock f¨ uhren k¨ onnen.
Im folgenden:
Beispiel von Dijkstra zur Deadlock-Vermeidung:
Problem des Deadly Embrace L¨ osung: Bankier-Algorithmus
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 28/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadly Embrace
Annahme:
Es gibt m gleiche Ressourcen
Jeder Prozesse P i ben¨ otigt eine gewisse Zahl m i ≤ m dieser Ressource
Prozesse fordern Ressourcen nach und nach an
Die maximal ben¨ otigte Anzahl m i ist beim Start bekannt Hat ein Prozess seine maximale Anzahl, terminiert er und gibt die Ressourcen zur¨ uck.
Problem: Implementiere Ressourcenverwalter
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 29/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Dijkstra’s Veranschaulichung
Ressource: Geld
Prozesse sind Bankkunden Ressourcenverwalter: Bankier
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 30/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Vermeidung: Beispiel
Vorhandene Ressourcen am Anfang: 98 EUR 2 Kunden, beide ben¨ otigen 50 EUR
Beide Kunden haben bereits 48 EUR erhalten Beide Kunden fordern 1 EUR an.
Soll der Bankier beide Anforderungen zulassen?
Nein: Dann haben beide Kunden 49 EUR, die Bank 0 EUR Ein Deadlock ist eingetreten.
Ein Kunde fordert 1 EUR an Soll er das Geld bekommen?
Ja, denn danach ist der Zustand immer noch sicher sicher = Deadlock noch vermeidbar (muss nicht eintreten)
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 31/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Vermeidung: Beispiel
Vorhandene Ressourcen am Anfang: 98 EUR 2 Kunden, beide ben¨ otigen 50 EUR
Beide Kunden haben bereits 48 EUR erhalten Beide Kunden fordern 1 EUR an.
Soll der Bankier beide Anforderungen zulassen?
Nein: Dann haben beide Kunden 49 EUR, die Bank 0 EUR Ein Deadlock ist eingetreten.
Ein Kunde fordert 1 EUR an Soll er das Geld bekommen?
Ja, denn danach ist der Zustand immer noch sicher sicher = Deadlock noch vermeidbar (muss nicht eintreten)
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 31/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Vermeidung: Beispiel
Vorhandene Ressourcen am Anfang: 98 EUR 2 Kunden, beide ben¨ otigen 50 EUR
Beide Kunden haben bereits 48 EUR erhalten Beide Kunden fordern 1 EUR an.
Soll der Bankier beide Anforderungen zulassen?
Nein: Dann haben beide Kunden 49 EUR, die Bank 0 EUR Ein Deadlock ist eingetreten.
Ein Kunde fordert 1 EUR an Soll er das Geld bekommen?
Ja, denn danach ist der Zustand immer noch sicher sicher = Deadlock noch vermeidbar (muss nicht eintreten)
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 31/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Deadlock-Vermeidung: Beispiel
Vorhandene Ressourcen am Anfang: 98 EUR 2 Kunden, beide ben¨ otigen 50 EUR
Beide Kunden haben bereits 48 EUR erhalten Beide Kunden fordern 1 EUR an.
Soll der Bankier beide Anforderungen zulassen?
Nein: Dann haben beide Kunden 49 EUR, die Bank 0 EUR Ein Deadlock ist eingetreten.
Ein Kunde fordert 1 EUR an Soll er das Geld bekommen?
Ja, denn danach ist der Zustand immer noch sicher sicher = Deadlock noch vermeidbar (muss nicht eintreten)
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 31/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
L¨ osungsversuch
Naive L¨ osung:
Kunden erhalten Reihenfolge
Bankier bedient immer einen Kunden, bis er seinen maximalen Betrag erhalten hat
Alle andere Kunden m¨ ussen warten
Schlecht, da sequentieller Algorithmus Deshalb:
Zus¨ atzliche Anforderung: Erlaube soviel Nebenl¨ aufigkeit wie m¨ oglich
Lehne nur dann Anfrage ab, wenn der Zustand dann unsicher w¨ urde,
d.h. ein Deadlock eintreten muss
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 32/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
L¨ osungsversuch
Naive L¨ osung:
Kunden erhalten Reihenfolge
Bankier bedient immer einen Kunden, bis er seinen maximalen Betrag erhalten hat
Alle andere Kunden m¨ ussen warten Schlecht, da sequentieller Algorithmus
Deshalb:
Zus¨ atzliche Anforderung: Erlaube soviel Nebenl¨ aufigkeit wie m¨ oglich
Lehne nur dann Anfrage ab, wenn der Zustand dann unsicher w¨ urde,
d.h. ein Deadlock eintreten muss
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 32/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
L¨ osungsversuch
Naive L¨ osung:
Kunden erhalten Reihenfolge
Bankier bedient immer einen Kunden, bis er seinen maximalen Betrag erhalten hat
Alle andere Kunden m¨ ussen warten Schlecht, da sequentieller Algorithmus Deshalb:
Zus¨ atzliche Anforderung: Erlaube soviel Nebenl¨ aufigkeit wie m¨ oglich
Lehne nur dann Anfrage ab, wenn der Zustand dann unsicher w¨ urde,
d.h. ein Deadlock eintreten muss
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 32/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Bankier-Algorithmus: Datenstrukturen
Annahme: Verschiedene Ressourcen, z.B. mehrere W¨ ahrungen Vektor − →
A : Aktueller Vorrat in der Bank. Jede Komponente von − →
A ist nicht-negative Ganzzahl und stellt Vorrat einer W¨ ahrung dar
P Menge der Kunden (Prozesse). F¨ ur P ∈ P sei:
−−→ M P der Vektor der maximal durch Prozess P anzufordernden Ressourcen
−→ C P der Vektor der bereits an Prozess P vergebenen Ressourcen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 33/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Bankier-Algorithmus: Sicherer Zustand
sicher = Deadlock in der Zukunft vermeidbar Ein Zustand (mit all seinen Vektoren) ist sicher,
wenn es eine Permutation π der Prozesse P 1 , . . . , P n ∈ P gibt, sodass es f¨ ur jeden Prozesse P i entsprechend der Reihenfolge der Permutation gen¨ ugend Ressourcen gibt, wenn er dran ist.
Gen¨ ugend Ressourcen bedeutet hierbei:
−
→ A +
X
π(j)<π(i)
−−−→ C P
π(j)
− −−→
M P
i+ −→
C P
i≥ − → 0
Zu den aktuell verf¨ ugbaren Ressourcen − → A
d¨ urfen momentan vergebenen Ressourcen hinzuaddiert werden, deren zugeh¨ orige Prozesse entsprechend der Permutation vor P i vollst¨ andig bedient werden.
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 34/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Bankier-Algorithmus: Grundger¨ ust
Bankier erh¨ alt eine Ressourcenanfrage −→
L P eines Prozesses P ∈ P.
Konsistenzbedingung: −→
L P + −→
C P ≤ −−→
M P
Bankier berechnet den Folgezustand, alsob P die Ressourcen erh¨ alt, d.h.
−
→ A := − → A − −→
L P
−→ C P := −→
C P + −→
L P Anschließend: Teste ob Zustand noch sicher
Wenn unsicher, dann stelle Ursprungszustand her und lasse P warten
Wenn Kunde maximale Ressourcen erh¨ alt wird − →
A automatisch angepasst,
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 35/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Bankier-Algorithmus: Test auf Sicherheit
function testeZustand(P , − → A ):
if P = ∅ then return “sicher”
else
if ∃P ∈ P mit −−→
M P − −→
C P ≤ − → A then
−
→ A := − → A + −→
C P ; P := P \ {P };
testeZustand(P , − → A ) else
return “unsicher”
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 36/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Eigenschaften
Algorithmus berechnet eine der gesuchten Permutationen Laufzeit O(|P| 2 )!
Kriterium ist ausschließlich
” Kein Deadlock“ sonst keine
” Optimierung“
kleine Verbesserung:
Wenn − → A ≥ −−→
M P − −→
C P (gen¨ ugend Ressourcen vorhanden um P komplett zu bedienen) dann ist nach Anfrage −→
L P der Zustand immer sicher (Test muss nicht ausgef¨ uhrt werden)
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 37/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel
4 Ressourcen (EUR, USD, JYN, SFR) 4 Prozesse A, B, C, D
Aktueller Zustand
Maximal-Werte Erhaltene Werte Verf¨ ugbare Ressourcen
− − →
M A = (4, 7, 1, 1) −→
C A = (1, 1, 0, 0) − →
A = (2, 2, 3, 3)
−−→ M B = (0, 8, 1, 5) −→
C B = (0, 5, 0, 3)
−−→ M C = (2, 2, 4, 2) −→
C C = (0, 2, 1, 0)
−−→ M D = (2, 0, 0, 2) −→
C D = (1, 0, 0, 1)
Ist der Zustand sicher?
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 38/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Beispiel (2)
Wir betrachten nun die Anfrage L A = (2, 2, 0, 0), d.h. Prozess A m¨ ochte zwei weitere EUR und zwei weitere USD belegen.
Nach Aktualisierung ( − → A := − →
A − −→
L A und −→
C A := −→
C A + −→
L A ) erhalten wir den Zustand:
Maximal-Werte Erhaltene Werte Verf¨ ugbare Ressourcen
− − →
M A = (4, 7, 1, 1) −→
C A = (3, 3, 0, 0) − →
A = (0, 0, 3, 3)
−−→ M B = (0, 8, 1, 5) −→
C B = (0, 5, 0, 3)
−−→ M C = (2, 2, 4, 2) −→
C C = (0, 2, 1, 0)
−−→ M D = (2, 0, 0, 2) −→
C D = (1, 0, 0, 1)
Bleibt der Zustand sicher?
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 39/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Transactional Memory
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 40/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Transactional Memory
Neuer Programmieransatz
Ziel: Programmierer schreibt mehr oder weniger sequentiellen Code
System garantiert Deadlockfreiheit und evtl. noch mehr
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 41/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Motivation: Beispiel
Uberweisungen zwischen Konto A und B ¨
L¨ osung: Sperre Konten entsprechend einer totalen Ordnung
Erweiterung: Buche nur dann ab, wenn Konto gedeckt L¨ osung 1: Abort und Restart: Wenn Konto nicht gedeckt, starte von neuem. Birgt die Gefahr, immer wieder neu zu starten.
L¨ osung 2: Warte bis Konto gedeckt (Sperren m¨ ussen aufgehoben werden!)
Fazit: Kleine Erweiterungen erfordern große ¨ Anderungen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 42/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Motivation: Beispiel
Uberweisungen zwischen Konto A und B ¨
L¨ osung: Sperre Konten entsprechend einer totalen Ordnung Erweiterung: Buche nur dann ab, wenn Konto gedeckt
L¨ osung 1: Abort und Restart: Wenn Konto nicht gedeckt, starte von neuem. Birgt die Gefahr, immer wieder neu zu starten.
L¨ osung 2: Warte bis Konto gedeckt (Sperren m¨ ussen aufgehoben werden!)
Fazit: Kleine Erweiterungen erfordern große ¨ Anderungen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 42/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Motivation: Beispiel
Uberweisungen zwischen Konto A und B ¨
L¨ osung: Sperre Konten entsprechend einer totalen Ordnung Erweiterung: Buche nur dann ab, wenn Konto gedeckt L¨ osung 1: Abort und Restart: Wenn Konto nicht gedeckt, starte von neuem. Birgt die Gefahr, immer wieder neu zu starten.
L¨ osung 2: Warte bis Konto gedeckt (Sperren m¨ ussen aufgehoben werden!)
Fazit: Kleine Erweiterungen erfordern große ¨ Anderungen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 42/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Motivation: Beispiel
Uberweisungen zwischen Konto A und B ¨
L¨ osung: Sperre Konten entsprechend einer totalen Ordnung Erweiterung: Buche nur dann ab, wenn Konto gedeckt L¨ osung 1: Abort und Restart: Wenn Konto nicht gedeckt, starte von neuem. Birgt die Gefahr, immer wieder neu zu starten.
L¨ osung 2: Warte bis Konto gedeckt (Sperren m¨ ussen aufgehoben werden!)
Fazit: Kleine Erweiterungen erfordern große ¨ Anderungen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 42/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Motivation: Beispiel
Uberweisungen zwischen Konto A und B ¨
L¨ osung: Sperre Konten entsprechend einer totalen Ordnung Erweiterung: Buche nur dann ab, wenn Konto gedeckt L¨ osung 1: Abort und Restart: Wenn Konto nicht gedeckt, starte von neuem. Birgt die Gefahr, immer wieder neu zu starten.
L¨ osung 2: Warte bis Konto gedeckt (Sperren m¨ ussen aufgehoben werden!)
Fazit: Kleine Erweiterungen erfordern große ¨ Anderungen
TCS | 08 Mehrere Ressourcen | WS 2019/20 42/96 Deadlocks bei mehreren Ressourcen Transactional Memory
Lock-basierte Programmierung ist schlecht . . .
(Argumente von S. L. Peyton Jones)
Setzen zu weniger Locks: Programmierer vergisst eine Sperre zu setzen, Folge: Race Condition
Setzen zu vieler Locks: Programmierer ¨ ubervorsichtig:
Folgen:
Programm unn¨ otig sequentiell (Best-Case), Deadlock (Wort-Case)
Setzen der falschen Locks: Beziehung zwischen Sperren und Daten kennt nur der Programmierer. Compiler oder andere Programmierer kennen die Beziehung evtl. nicht.
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Lock-basierte Programmierung ist schlecht . . . (2)
Setzen von Locks in der falschen Reihenfolge: Das Total-Order Theorem kann nur eingehalten werden, wenn jeder
Programmierer weiß, wie die Ordnung der Locks aussieht.
Fehlerbehandlung schwierig, da bei Fehlerbehandlung Locks entsperrt werden m¨ ussen.
Vergessene signal-Operationen oder vergessenes erneutes Pr¨ ufen von Bedingungen f¨ uhrt zu fehlerhaften Systemen.
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Ein schlagendes Argument
Lock-basierte Programmierung ist nicht modular Beispiel:
Buche von Konto A 1 oder A 2 auf Konto B, je nachdem welches Konto gedeckt ist.
kann nicht aus den bestehenden Programmen zusammengesetzt werden
sondern erfordert neues Programm
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