השאלה הבאה מורכבת משני חלקים בלתי תלויים. חלק א: The Barber Shop במספרה יש ספר אחד, כסא ספר אחד, ו ח -כסאות עבור לקוחות ממתינים. אם אין לקוחות, הספר מנמנם. כאשר מגיע לקוח, הוא צריך להעיר את הספר הישן. אם מגיעים לקוחות נוספים בזמן שהספר מספר לקוח, הם מתיישבים באחד מהכיסאות, ממתינים אם יש כסא פנוי ועוזבים אחרת. להלן פסאודו-קוד המתאר את המשתנים והסמפורים הנחוצים, ואת האלגוריתם של הספר. semaphore customers=0, barbers=0; mutex m=UNLOCKED; int waiting=0 1. barber(){ 2. while(1){ 3. wait(customers); 4. lock(m); 5. waiting--; 6. post(barbers); 7. unlock(m); 8. cut_hair(); 9. } 10. } 1. customer(){ lock(m); 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. } 10. 11. 12. if(waiting < CHAIRS){ waiting ++; unlock(m); post(customers); down(barbers); get_haircut(); else { unlock(m); } 13. } חלק ב: Parallel stack נשכלל מחסנית כדי להפוך אותה לבטוחה גם כאשר כמה חוטים ישתמשו בו במקביל. הוצע המימוש הבא: 1. class stack{ 2. linklist queue; 3. semaphore sem = 0; 4. mutex m = UNLOCKED; 5. void push(int item){ 6. lock(m); 7. queue.push_front(item); 8. post(sem); 9. unlock(m); 10. } 11. 12. int pop(){ 13. lock(m); 14. wait(sem); 15. if(queue.isEmpty()) return -1; 16. int ret = queue.pop_front(); 17. unlock(m); 18. return ret; 19. } 20. } 21. }
Full original question text (raw OCR)
השאלה הבאה מורכבת משני חלקים בלתי תלויים. חלק א: The Barber Shop במספרה יש ספר אחד, כסא ספר אחד, ו ח -כסאות עבור לקוחות ממתינים. אם אין לקוחות, הספר מנמנם. כאשר מגיע לקוח, הוא צריך להעיר את הספר הישן. אם מגיעים לקוחות נוספים בזמן שהספר מספר לקוח, הם מתיישבים באחד מהכיסאות, ממתינים אם יש כסא פנוי ועוזבים אחרת. להלן פסאודו-קוד המתאר את המשתנים והסמפורים הנחוצים, ואת האלגוריתם של הספר. semaphore customers=0, barbers=0; mutex m=UNLOCKED; int waiting=0 1. barber(){ 2. while(1){ 3. wait(customers); 4. lock(m); 5. waiting--; 6. post(barbers); 7. unlock(m); 8. cut_hair(); 9. } 10. } 1. customer(){ lock(m); 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. } 10. 11. 12. if(waiting < CHAIRS){ waiting ++; unlock(m); post(customers); down(barbers); get_haircut(); else { unlock(m); } 13. } חלק ב: Parallel stack נשכלל מחסנית כדי להפוך אותה לבטוחה גם כאשר כמה חוטים ישתמשו בו במקביל. הוצע המימוש הבא: 1. class stack{ 2. linklist queue; 3. semaphore sem = 0; 4. mutex m = UNLOCKED; 5. void push(int item){ 6. lock(m); 7. queue.push_front(item); 8. post(sem); 9. unlock(m); 10. } 11. 12. int pop(){ 13. lock(m); 14. wait(sem); 15. if(queue.isEmpty()) return -1; 16. int ret = queue.pop_front(); 17. unlock(m); 18. return ret; 19. } 20. } 21. }
האם החלפה בין השורות 3 ל- 4 בקוד של ה- barber פוגעת בנכונות האלגוריתם? תשובה: (כן / לא) נימוק:
Semaphore blocking and busy-waitMutex correctness and deadlock avoidanceSRT / preemptive Gantt constructionהאם החלפה בין השורות 2 ל-3 בקוד של ה- customer פוגעת בנכונות האלגוריתם? תשובה: (כן / לא) נימוק:
Semaphore blocking and busy-waitMutex correctness and deadlock avoidanceSRT / preemptive Gantt constructionתחת איזה הנחה כדאי להחליף את ה mutex ב- spinlock בקוד הנ"ל? (נמק בפחות מעשרים מילים)
Spinlock implementation propertiesMutex correctness and deadlock avoidanceתציינו בעיית נכונות בקוד הנ"ל (על ידי תיאור תרחיש עם מספר שורות הקוד)
Semaphore blocking and busy-waitMutex correctness and deadlock avoidanceSRT / preemptive Gantt constructionהשלימו בעזרת משתנה תנאי ומנעול את המימוש הבא של מחסנית מקבילית: [Incomplete code for class stack with push and pop methods]
Mutex correctness and deadlock avoidance
The exam question — original PDF
pages 14, 15, 16Exactly as it appears on the exam paper.
Built from these components
Ordered basic → advanced. Master the earlier ones first.
Review the material
Read these before you answer — each verified slide teaches a component this question tests, and nothing from an unrelated topic is included. Tutorial slides show the actual slide image.
FD (file descriptors)כל פעולות קלט/פלט של תהליך בלינוקס מבוצעות דרך "קבצים":קבצים "רגילים" לאחסון מידע (/usr/file.txt) נמצאים בדיסק.התקני חומרה גם כן מיוצגים כקבצים, אבל נמצאים בזיכרון.למשל, העכברים המחוברים למחשב מיוצגים כ- /dev/input/mouseN .גם ערוצי תקשורת כמו pipes מיוצגים ע"י קבצים שנמצאים בזיכרון.הקשר בין תהליך לבין קובץ שהוא ניגש אליו נשמר, ברמת המשתמש, ע"י מספר שלם שנקרא file descriptor (FD).לדוגמה: קריאת המערכת open() מחזירה FD.המשתמש מעביר את ה-FD לקריאות מערכת כמו read(), write() כדי לקרוא ולכתוב לקובץ.מערכות הפעלה - תרגול 320
שחרור file objectשאלה: מי מבצע את שחרור הזיכרון של file object? מתי ניתן לשחררו? ייתכנו מצבים בהם תהליכים שונים מצביעים לאותו file object, לכן שחרור ה-file object יכול להתבצע רק לאחר ביצוע close() מכל התהליכים החולקים את אותו ה-file object. זכרו של-file object יש מונה (f_count) הסופר את כמות התהליכים המצביעים עליו בכל רגע נתון. המונה קטן באחד עם כל פעולת close() על האובייקט. כאשר המונה מתאפס, ה-file object ישוחרר.מערכות הפעלה - תרגול 342
דוגמת FCFSaverageResponseTime = (10 + 20 + 30) / 3 = 20כעת נסיר את הנחה 1 ("כל התהליכים רצים למשך אותו זמן"). לכל תהליך זמן ריצה משלו.תוכלו לחשוב על דוגמה שבה FCFS אינו יעיל?מערכות הפעלה - תרגול 59כל התהליכים רצים למשך אותו זמן.כל התהליכים מגיעים באותו זמן (t=0).אם תהליך התחיל לרוץ, אז הוא ירוץ עד לסיומו ללא הפסקות.התהליכים משתמשים רק במעבד ולא מבצעים I/O.זמן הריצה של כל התהליכים ידוע מראש.
אפקט השיירה (convoy effect)averageResponseTime = (100 + 110 + 120) / 3 = 110אלגוריתם FCFS עלול לסבול מ"אפקט השיירה": מצב שבו תהליך אחד ארוך מעכב הרבה תהליכים קצרים. מערכות הפעלה - תרגול 510
יצירת חוט חדשפרמטרים:thread – מצביע למקום בו יאוחסן מזהה החוט החדש במקרה של סיום הפונקציה בהצלחה.attr – מאפיינים המתארים את תכונות החוט החדש, כגון האם החוט הוא חוט גרעין או חוט משתמש, האם ניתן לבצע לו join, כלומר להמתין לסיומו, וכו'. בד"כ נספק ערך NULL המציין חוט ברירת המחדל של המערכת, שניתן להמתין לסיומו.void* (*start_routine)(void*) מצביע לפונקציה שתהווה את קוד החוט. הערך המוחזר מפונקציה זו במקרה של סיומה הטבעי הינו ערך הסיום של החוט.arg – פרמטר שיסופק לפונקציה עם הפעלתה.מערכות הפעלה - תרגול 714
קריאת המערכת clone()flags – מסכת דגלים הקובעת את צורת השיתוף בין התהליך הקורא והתהליך החדש. להלן מספר דגלים אופייניים:ניתן לשלב מספר דגלים יחד באמצעות OR לוגי ביניהם, לדוגמה:CLONE_VM | CLONE_FS .ערך מוחזר: במקרה של הצלחה מוחזר ה-PID של התהליך החדש,אחרת -1.מערכות הפעלה - תרגול 728CLONE_VMשיתוף מרחב הזיכרוןCLONE_FILESשיתוף טבלת הקבצים הפתוחיםCLONE_FSשיתוף טבלת נתוני עבודה עם קבצים, המכילה נתונים כגון ספרית העבודה הנוכחית ועודCLONE_PARENTלתהליך החדש יהיה אותו אב כמו התהליך הקורא (אחרת החדש יהיה הבן של הקורא)CLONE_THREADהתהליך החדש הוא חוט באותה קבוצת חוטים כמו התהליך הקורא (אותו tgid). גורר גם CLONE_PARENT
מנעולים עם/בלי המתנהspinlockכאשר חוט מנסה לתפוס מנעול נעול, הוא בודק את ערך המנעול שוב ושוב מבלי לצאת מתור הריצה.טכניקה כזו נקראת גם: polling, busy waiting, busy looping.יתרון: התהליך יכול להמשיך לרוץ עוד בקוונטום הנוכחי, וכך לחסוך את התקורה על החלפת הקשר.עדיף כאשר זמן ההמתנה המשוער נמוך יותר מהמחיר של החלפת הקשר (כלומר, כאשר הקטע הקריטי קצר, כפי שקורה לרוב בקוד גרעין).mutexכאשר חוט מנסה לתפוס מנעול נעול, מערכת ההפעלה תעביר אותו לתור המתנה ותבצע החלפת הקשר.כאשר המנעול ישוחרר, מערכת ההפעלה תעיר את אחד החוטים המחכים למנעול.יתרון: תהליך חדש יכול לרוץ מיד, וכך לא מתבזבז זמן מעבד יקר.עדיף כאשר זמן ההמתנה המשוער גבוה יחסית (כלומר, כאשר הקטע הקריטי ארוך, כפי שקורה לרוב בקוד משתמש).מערכות הפעלה - תרגול 745
TL;DRבתרגול הקודם למדנו לכתוב קוד מקבילי באמצעות חוטים.ראינו שבכל בעיה לא טריוויאלית יש צורך בסנכרון בין החוטים.היום נלמד על מנגנוני סנכרון נוספים של ממשק pthreads :לבסוף, נלמד דוגמה נוספת של קוד מקבילי חשוב: גרעין לינוקס.קוד הגרעין לא משתמש בחוטים, אבל ניגש לזיכרון משותף מתוך מספר מסלולי בקרה שרצים במקביל, ולכן העקרונות שלמדנו תקפים גם עבורו.2מערכות הפעלה - תרגול 8להבטחת סדרלהבטחת אטומיותמשתני תנאי(condition variables)מנעולים(mutexes)סמפורים (semaphores)
משתנה תנאי (condition variable)משתנה תנאי הוא אובייקט סנכרון המאפשר לחוט לצאת להמתנה בתוך קטע קריטי.כלומר, לפנות את המעבד ולצאת לתור המתנה.ההמתנה תתבצע עד לקיום תנאי כלשהו.ההמתנה מאפשרת לאכוף סדר בביצוע של החוטים. שימוש תכנותי נכון במשתני תנאי מחייב להגדיר גם:משתנה מצב – החוט עובר להמתנה או חוזר מהמתנה בהתאם לערכו של משתנה המצב.מנעול mutex – מבטיח לנו אטומיות והגנה על הקטע הקריטי.מערכות הפעלה - תרגול 86
סכימה כללית למשתני תנאיcond_t c; // should be initializedmutex_t m; // should be initializedint state_var = 0;החוט הממתין לאירוע יקרא ל:while (!condition_holds(state_var)) cond_wait(&c, &m);החוט שמסמן לחוטים הממתינים להמשיך יקרא ל:if (condition_holds(state_var)) cond_signal(&c);מערכות הפעלה - תרגול 87מדוע cond_wait() מקבלתגם את המנעול?
המתנה על משתני תנאיint pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);פעולה: משחררת את המנעול ומעבירה את החוט להמתין על משתנה התנאי באופן אטומי (ראינו קודם מדוע זה הכרחי).החוט הממתין חייב להחזיק במנעול mutex לפני הקריאה.בחזרה מהמתנה על משתנה התנאי, החוט עובר להמתין על המנעול. החוט יחזור מהקריאה ל-pthread_cond_wait() רק לאחר שינעל מחדש את ה-mutex.ערך מוחזר: הפעולה תמיד מצליחה ומחזירה 0.11מערכות הפעלה - תרגול 8
מועד א', אביב 2008, שאלה 1sem_t sem; // Global semaphore, with initial value 1 int writer_lock() { sem_wait(sem);} int writer_unlock() { sem_post(sem);} int reader_lock() { while(sem_getvalue(sem) <= 0) sleep(1); sem_wait(sem);} int reader_unlock() { sem_post(sem);}סעיף ב: להלן הצעה לפתרון בעיית קוראים/כותבים עם עדיפות לכותבים, המשתמשת בסמפורים.תארו 3 בעיות שונות של נכונות ו/או יעילות שיש בפתרון הנ"ל. הניחו כי הסמפור הינו הוגן.מערכות הפעלה - תרגול 838
מועד א', אביב 2008, שאלה 1sem_t sem; // Global semaphore, with initial value 1 int writer_lock() { sem_wait(sem);} int writer_unlock() { sem_post(sem);} int reader_lock() { while(sem_getvalue(sem) <= 0) sleep(1); sem_wait(sem);} int reader_unlock() { sem_post(sem);}בעיית נכונות: הפתרון לא מאפשר ליותר מקורא אחד להיכנס לקטע קריטי.בעיית נכונות: אם יש גם קוראים וגם כותבים, הכותבים לא בהכרח יקבלו עדיפות ועלולים להיות מורעבים בניגוד לדרישה.בעיית יעילות: קוראים מבצעים busy wait.מערכות הפעלה - תרגול 839
פסיקות חומרה במערכת מרובת ליבותבמערכת מרובת ליבות, מעבדים שונים יכולים לגשת בו-זמנית למבני נתונים משותפים יש להוסיף נעילה מעבר לחסימת הפסיקות המקומית.שגרות טיפול בפסיקות חומרה עושות שימוש במנעולי spinlock (מנעולים הממומשים כ-busy wait).שאלה: מדוע מעדיפים מנעולי spinlock על-פני מנעולי סמפור?busy wait הוא המתנה יעילה יותר כאשר מדובר בנעילות קצרות מאוד כפי שקורה בגרעין, מפני שכך נחסכת התקורה של כניסה ויציאה מהמתנה.בעיית הוגנות, למשל בתרחיש הבא:תהליך רץ, ובאותו הזמן מתקבלת פסיקת חומרה (למשל מהמקלדת).הטיפול בפסיקה מנסה לתפוס את המנעול, אבל המנעול כבר תפוס.התהליך עובר לתור המתנה מסיבה שאינה תלויה בו.מערכות הפעלה - תרגול 856
The exam text, the skills it tests, and the exact slides are already in context.