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so:exclusao_mutua [2014/05/30 16:27] – [Alternância] mazieroso:exclusao_mutua [2022/11/30 14:38] (atual) – maziero
Linha 1: Linha 1:
 +====== O Problema da Exclusão Mútua ======
 +
 +Construir mecanismos para garantir a exclusão mútua entre processos ou //threads// não é uma tarefa trivial. Esta página traz alguns exemplos de mecanismos para obter a exclusão mútua - alguns dos quais não funcionam!
 +
 +O código de base consiste em 100 //threads//, onde cada //thread// tenta fazer 100.000 incrementos em uma variável global compartilhada ''sum''. Se tudo correr bem, o valor final da variável ''sum'' deve ser 100×100.000 = 10.000.000.
 +
 +Para medir a duração da execução, use o seguinte comando:
 +
 +  $ time <programa-compilado>
 +
 +==== Sem coordenação ====
 +
 +Neste código, as threads acessam a variável compartilhada sem nenhum controle de concorrência.
 +
 +<code c me1-none.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, sem controle.
 +
 +Compilar com gcc -Wall me1-none.c -o me1 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum = 0 ;
 +
 +void *threadBody (void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;
 +  long i, status ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +   
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== A solução ingênua ====
 +
 +Esta solução consiste em definir uma variável de controle ''busy'', que controla a entrada na seção crítica (incremento da variável ''sum'').
 +
 +<code c me2-naive.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, solução "ingênua".
 +
 +Compilar com gcc -Wall me2-naive.c -o me2 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum  = 0 ;
 +int busy = 0 ;
 +
 +// enter critical section
 +void enter_cs ()
 +{
 +  while ( busy ) ;   // busy waiting
 +  busy = 1 ;
 +}
 +
 +// leave critical section
 +void leave_cs ()
 +{
 +  busy = 0 ;
 +}
 +
 +void *threadBody(void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    enter_cs () ;
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +    leave_cs () ;
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;   
 +  long i, status ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +   
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== Alternância ====
 +
 +Esta solução consiste em definir uma variável ''turn'' que indica quem pode acessar a seção crítica a cada instante. Ao sair da seção crítica, cada //thread// incrementa o valor dessa variável, fazendo com que a próxima //thread// tenha acesso à seção crítica.
 +
 +Esta solução funciona, mas é muuuuito lenta. Por que?
 +
 +<code c me3-altern.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, solução com alternância.
 +
 +Compilar com gcc -Wall me3-altern.c -o me3 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum  = 0 ;
 +int turn = 0 ;
 +
 +// enter critical section
 +void enter_cs (long int id)
 +{
 +  while (turn != id) ;   // busy waiting
 +  
 +  if (sum % 100 == 0)
 +    printf ("Turn: %d, Sum: %d\n", turn, sum) ;
 +}
 +
 +// leave critical section
 +void leave_cs ()
 +{
 +  turn = (turn + 1) % NUM_THREADS ;
 +}
 +
 +void *threadBody(void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    enter_cs ((long int) id) ;
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +    leave_cs () ;
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;
 +  long i, status ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +   
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== Operações atômicas ====
 +
 +Esta solução consiste em usar operações atômicas, como //Test-and-Set Lock// e similares. No exemplo abaixo é usada uma  [[http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.2/gcc/Atomic-Builtins.html|operação OR atômica]].
 +
 +<code c me4-tsl.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, solução com TSL.
 +
 +Compilar com gcc -Wall me4-tsl.c -o me4 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum  = 0 ;
 +int lock = 0 ;
 +
 +// enter critical section
 +void enter_cs (int *lock)
 +{
 +  // atomic OR (Intel macro for GCC)
 +  while (__sync_fetch_and_or (lock, 1)) ;   // busy waiting
 +}
 +
 +// leave critical section
 +void leave_cs (int *lock)
 +{
 +  (*lock) = 0 ;
 +}
 +
 +void *threadBody(void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    enter_cs (&lock) ;
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +    leave_cs (&lock) ;
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;
 +  long i, status ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +   
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== A Instrução XCHG ====
 +
 +Esta solução é similar à anterior, mas usa a instrução [[http://en.wikibooks.org/wiki/X86_Assembly/Data_Transfer#Data_swap|XCHG]] da plataforma Intel.
 +
 +<code c me5-xchg.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, solução com instrução XCHG.
 +
 +Compilar com gcc -Wall me5-xchg.c -o me5 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum  = 0 ;
 +int lock = 0 ;
 +
 +// enter critical section
 +void enter_cs (int *lock)
 +{
 +  int key = 1 ;
 +  while (key)  // busy waiting
 +  {
 +    // XCHG lock, key
 +    __asm__ __volatile__("xchgl %1, %0" // assembly template
 +                         : "=r"(key) // output
 +                         : "m"(*lock), "0"(key) // input
 +                         : "memory") ; // clobbered registers
 +  }
 +}
 +
 +// leave critical section
 +void leave_cs (int *lock)
 +{
 +  (*lock) = 0 ;
 +}
 +
 +void *threadBody(void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    enter_cs (&lock) ;
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +    leave_cs (&lock) ;
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;
 +  long i, status ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +   
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +  
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== Com Semáforos ====
 +
 +Esta solução controla a entrada na seção crítica através de um semáforo genérico POSIX.
 +
 +<code c me6-semaphore.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, solução com semáforo.
 +
 +Compilar com gcc -Wall me6-semaphore.c -o me6 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +#include <semaphore.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum = 0 ;
 +sem_t s ;
 +
 +void *threadBody(void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    sem_wait (&s) ;
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +    sem_post (&s) ;
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;
 +  long i, status ;
 +
 +  // initialize semaphore to 1
 +  sem_init (&s, 0, 1) ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +   
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>
 +
 +==== Com Mutex ====
 +
 +Esta solução controla a entrada na seção crítica através de um mutex POSIX.
 +
 +<code c me7-mutex.c>
 +/*
 +Acesso concorrente a uma variável por muitas threads, solução com mutex.
 +
 +Compilar com gcc -Wall me7-mutex.c -o me7 -lpthread
 +
 +Carlos Maziero, DINF/UFPR 2020
 +*/
 +
 +#include <pthread.h>
 +#include <stdio.h>
 +#include <stdlib.h>
 +
 +#define NUM_THREADS  100
 +#define NUM_STEPS 100000
 +
 +int sum = 0 ;
 +pthread_mutex_t mutex ;
 +
 +void *threadBody(void *id)
 +{
 +  int i ;
 +
 +  for (i=0; i< NUM_STEPS; i++)
 +  {
 +    pthread_mutex_lock (&mutex) ;
 +    sum += 1 ;   // critical section
 +    pthread_mutex_unlock (&mutex) ;
 +  }
 +
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +
 +int main (int argc, char *argv[])
 +{
 +  pthread_t thread [NUM_THREADS] ;
 +  pthread_attr_t attr ;
 +  long i, status ;
 +
 +  // initialize mutex
 +  pthread_mutex_init (&mutex, NULL) ;
 +
 +  // define attribute for joinable threads
 +  pthread_attr_init (&attr) ;
 +  pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE) ;
 +
 +  // create threads
 +  for(i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_create (&thread[i], &attr, threadBody, (void *) i) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_create") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  // wait all threads to finish   
 +  for (i=0; i<NUM_THREADS; i++)
 +  {
 +    status = pthread_join (thread[i], NULL) ;
 +    if (status)
 +    {
 +      perror ("pthread_join") ;
 +      exit (1) ;
 +    }
 +  }
 +
 +  printf ("Sum should be %d and is %d\n", NUM_THREADS*NUM_STEPS, sum) ;
 +
 +  pthread_attr_destroy (&attr) ;
 +  pthread_exit (NULL) ;
 +}
 +</code>