Syst

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Systèmes multiprocesseursSystème dexploitation
Chapitre 8Andrew Tanenbaum
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Rappels sur les systèmes dexploitation

• Agit comme interface (Machine virtuelle)
• Gère les ressources
• Gestion des processus et des threads
• Gestion de la mémoire
• Gestion des fichiers
• Gestion des E/S

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Les processus

• Un processus est une structure de donnée
  représentant un programme en cours d'exécution.
• Un processus contient toute l'information qu'il
  est nécessaire de conserver pour poursuivre
  l'exécution d'un programme interrompu.
• En particulier, chaque processus possède
• Un espace d'adressage (programme, données, pile)
• Des registres (incluant PC, SP, PSW)
• D'autres informations (fichiers ouverts,
  priorité, etc.)

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Table des processus

• La table des processus est un tableau de
  structures contenant une entrée pour chaque
  processus actifs dans le système.
• Périodiquement, le système d'exploitation décide
  d'interrompre un processus pour en exécuter un
  autre. Il doit alors
• suspendre l'exécution d'un processus A
• sauver l'information de A dans la table des
  processus
• choisir un nouveau processus B
• recupérer l'information de B
• démarrer l'exécution de B

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Implémentation des processus

• Différent champs dune entrée de la table des
  processus

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Les threads (1)

• Chaque processus possède un ou plusieurs threads
  (fils dexécution)
• Deux threads dun même processus partagent un
  même espace dadressage mais des piles et des
  compteurs ordinaux distincts.
• Quelque fois appelés processus légers
• Utile même lorsquil ny a quun seul processeur
• Dans le contexte dappels systèmes bloquants

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Les threads (2)

• Items partagés par tous les threads dun
  processus
• Items à chaque thread

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Ordonnanceur

• Partie du SE qui détermine si un processus doit
  poursuivre son exécution ou être temporairement
  arrêté pour être remplacé par un autre
• Doit choisir le prochain processus à être exécuté
• Priorités

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Les priorités sous Windows
32 niveaux de priorité
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Les priorités sur Solaris
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Mémoire virtuelle (1)

• Solution au problème des programmes trop gros
  pour entrer en mémoire.
• Chaque programme possède son propre espace
  dadressage découpé en petite entités appelées
  pages.
• Cet espace dadressage représente une mémoire
  virtuelle qui peut être plus grande que la
  mémoire physique.
• Chaque page est une suite dadresses contiguëes
  de la mémoire virtuelle.
• La taille des page est fixe (typiquement entre
  512 octets à 64Ko)
• Une adresse virtuelle est une adresse de la
  mémoire virtuelle.

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Mémoire virtuelle (2)

• Il nest pas nécessaire davoir toutes les pages
  en mémoire physique pour exécuter le programme.
• Chaque page est indivisible
• Elle est entièrement en mémoire physique ou elle
  ny est pas du tout.
• Les pages qui ne sont pas en mémoire sont placées
  sur le disque.
• Une table indique quelles sont les pages en
  mémoire ainsi que ladresse physique de
  celles-ci.
• Le tout est géré de façon transparente par l
  unité de gestion de la mémoire (MMU)

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La pagination (1)

• Localisation et fonction du MMU

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La pagination (2)

• La relation entre les adresses virtuelles et
  physiques est indiquée dans la table des pages
• Par exemple, un ordinateur peut produire des
  adresses sur 16bits (64 Ko) mais il ny a que 32
  Ko de mémoire physique.
• La mémoire virtuelle est divisée en pages de 4K
• La mémoire physique est divisée en cadre de page
  (page frame)

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La pagination (3)

• Par exemple,
• Ladresse virtuelle 0 est transformée en adresse
  physique 819224096
• Ladresse virtuelle 819224096 est transformée
  en adresse physique 2457664096
• Ladresse virtuelle 205005409620 est
  transformée en adresse physique 123082409620

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La pagination (4)

• Sur certains systèmes Unix on peut obtenir la
  taille des pages à laide de la commande
  pagesize
• Sur linux getconf PAGESIZE
• Sur dim-linuxmpi la taille des page est de 4Ko
• Sur Mac OS X la taille des pages est de 4Ko
• Sur Solaris la taille des pages est 8K

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Systèmes dexploitation pour multiprocesseurs(1)
Bus

• Type 1 Chaque processeur possède son propre SE

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SE pour multiprocesseurs(2)
Bus

• Inconvénients
• Pas de partage des processus
• Pas de partage des pages
• Comment gérer la cohérence des caches?

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SE pour multiprocesseurs(3)
Bus

• Type 2 Multiprocesseur maître-esclaves
• Simple et efficace
• Le maître est un goulot détranglement

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SE pour multiprocesseurs(4)
Bus

• Type 3 Multiprocesseurs symétriques
• Tous les processeurs sont égaux
• Une seule copie du SE
• Problème Il faut éviter les conflits.
• Deux processeurs voulant utiliser la même page
  mémoire
• Deux processeurs voulant éxécuter le même
  processus

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SE pour multiprocesseurs(5)
Bus

• Multiprocesseurs symétriques
• Mauvaise solution une seule section critique
  pour tout le système dexploitation
• Solution raisonnable Plusieurs section
  critiques.
• Le SE a plusieurs parties indépendantes
• Ordonnanceur
• Système de fichiers
• Gestion de la mémoire

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Synchronisation des MPs (1)

• Comment faire en sorte que linstruction TSL
  fonctionne?

old x if (old 0) x1 return old
?
tsl x
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Synchronisation des MPs (1)

• Solutions matérielles
• Verouiller le bus
• Verouiller une adresse mémoire

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Synchronisation des MPs (2)

• Utilisation dun verrou pivotant (spinlock)
• Consommation inutile du temps processeur
• Encombrement du bus et de la mémoire

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Synchronisation des MPs (3)

• Utilisation de verrous multiples en cache
• Chaque processeur possède sa propre copie de
  variable mutex à tester

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Synchronisation des MPs (4)

• Boucler ou changer de thread
• Dans certains cas le processeurs est obligé
  dattendre
• Processeur inactif qui désire acquérir le verrou
  de la liste des processus en attente
• Dans dautres cas un choix existe
• Boucler gaspille du temps processeur
• Changer de thread aussi
• Choix difficile

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Ordonnancement(1)

• Sur monoprocesseur
• Quel est le prochain thread à exécuter?
• Sur multiprocesseur
• On doit maintenant se poser deux questions plutôt
  quune seule
• Quel est le prochain thread a exécuter?
• Sur quel processeur?

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Ordonnancement(2)

• Temps partagé
• Utilisation dune seule structure de données
  (niveaux de priorités)
• Équilibre automatiquement la charge des
  processeurs
• Une structure de données unique limite le nombre
  de processeurs
• Inconvénient de la multiprogrammation les
  changements de contextes.

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Ordonnancement(2)

• Temps partagé
• Un ordonnancement à deux niveaux est souvent
  utilisé
• Un nouveau processus est affecté au processeur
  ayant la plus petite charge
• On tente ensuite daffecter ce processus au même
  processeur
• Dune certaine façon, chaque processeur possède
  sa propre collection de processus
• Un processus qui détient un verrou pivotant peut
  difficilement être arrêté à lexpiration de son
  quantum

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Ordonnancement(3)

• Espace partagé (pas de multiprogrammation)
• On tient compte du lien existant entre certains
  processus ou threads
• On ordonnance plusieurs threads dun même
  processus sur plusieurs processeurs
• Lalgorithme le plus simple consiste à
  ordonnancer les processus plutôt que les threads.
  Sil ny a pas assez de processeurs disponibles
  pour tous les threads dun processus alors on
  choisit un autre processus.
• Cela revient à partitionner les processeurs. Les
  partitions évoluent avec lexécution des
  processus.

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Ordonnancement(4)

• Avec multiprogrammation
• Problème de communication entre deux threads
• Deux threads A0 et A1 dun même processus A
  veulent communiquer
• Les threads A0 et B0 sexécutent sur le
  processeur 0
• Les threads A1 et B1 sexécutent sur le
  processeur 1
• Le délai de communication peut être inacceptable

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Ordonnancement(5)

• Une solution ordonnancement par bande
• Les groupes de threads liés sont ordonnancés
  comme une unité (bande)
• Lordonnancement sur tous les processeurs doit
  donc être synchrone
• Tous les membres dune bande sexécutent
  simultanément sur différents processeurs en temps
  partagé.
• Tous les membres de la bande commencent et
  terminent ensemble leurs intervalles de temps.

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Ordonnancement(6)

• Ordonnancement par bande

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(No Transcript)
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Multi-ordinateurs

• Processeurs fortement couplés qui ne partagent
  pas de mémoire commune.
• Les processeurs communiquent par lenvoie de
  messages
• Transmis sous la forme de paquets
• Également connu sous dautres noms
• Cluster
• COW (clusters of workstations)

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Différentes topologies

• (a) étoile
• (b) anneau
• (c) grille

• (d) double tore
• (e) cube
• (f) hypercube

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Commutateur de paquets
P.S. Dans la  commutation par circuit , un
chemin est dabord établi et ensuite la
communication est ensuite plus rapide.
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Utilisation de cartes dinterface
CPU optionnel
Carte dinterface
RAM du module dinterface

• Les cartes dinterface possède une mémoire afin
  de garantir un débit constant dans le réseau.
• Certaines possède même un processeur complet
  gérant la transmission, le multicast, etc.

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Difficultés dimplémentation

• Vitesse de transmission
• Lexemple précédent nécessite 3 copies de chaque
  message
• 5 copies sont nécessaires si la carte dinterface
  est mappée dans lespace noyau

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Difficultés dimplémentation

• Carte d interface dans lespace utilisateur pour
  réduire le temps de communication
• Problèmes lorsquil y a plusieurs processus
  désirant utiliser la carte
• Que se passe-t-il lorsquun processus attend un
  message et quil est remplacé par un autre.
• Synchronisation
• mais les mutex sont conçus pour les processus
  coopératifs
• Ne fonctionne bien que lorsquil ny a quun seul
  processus utilisateur par processeur.

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Autre problème

• Le SE peux aussi avoir besoin du réseau
• Par exemple pour accéder au système de fichier
  dun noeud distant
• Il nest pas souhaitable que le noyau partage la
  carte dinterface avec les processus usagers
• Solution deux cartes dinterface distinctes

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Logiciels de communication au niveau utilisateur

• Passage de messages
• 2 méthodes
• Appels systèmes permettant denvoyer et de
  recevoir des messages
• Envoyer(adresse, message)
• Recevoir(adresse,message)
• Ladresse doit identifier la machine et le
  processus
• On fait passer la communication distante pour un
  appel de procédure standard.
• Remote procedure call (RPC)

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Appels bloquants et non bloquants

• Appels systèmes bloquants
• Synchrone
• Appels systèmes non bloquants
• asynchrone

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Remote Procedure Call (1)

• Les étapes dun RPC
• Le programme client est lié à une bibiothèque
  (stub client) qui représente la procérure du
  serveur dans lespace dadressage du client.
• Idem pour le programme serveur

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Remote Procedure Call (2)

• Limitations
• On ne peut pas passer de pointeurs en paramètre
• Cela na pas de sens
• Fonctionne mal avec les langages faiblement typés
• Comment déterminer la taille dun tableau en C?
• Le type des paramètre peut être difficile à
  déterminer
• Ex. Printf
• On ne peut pas utiliser de variable globale
• Conclusion On doit prendre des précautions. Par
  exemple, on restreint le type des paramètres

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Mémoire partagée distribuée (1)

• Plusieurs couches où il est possible
  dimplémenter la mémoire partagée
• Matériel (multiprocesseurs)
• Système dexploitation
• Niveau utilisateur

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Mémoire partagée distribuée (2)

• (a) Pages distribuées sur 4 machines
• (b) Le CPU 0 lit la page 10
• La page est transféré
• (c) La page 10 est en lecture seule et on utilise
  la duplication de pages

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Mémoire partagée distribuée (3)

• Des pages de trop grande taille peuvent conduire
  au problème du faux partage

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Ordonnancement

• Sur un multi-ordinateur chaque ordinateur
  possède son propre SE ainsi que sa propre table
  des processus
• Léquilibrage de la charge est plus compliqué que
  pour les multiprocesseurs
• Plusieurs algorithme dordonnancement existent.

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Équilibrage de la charge (1)

• Algorithme 1 Lorsquun processus est créé, si la
  charge du processeur est trop importante il
  recherche un autre processeur où assigner le
  nouveau processus
• Ajoute une charge de travail à un processeur déjà
  très occupé

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Équilibrage de la charge (2)

• Algorithme 2 Lorsquun processus se termine, si
  le processeur na plus de travail alors il en
  demande à dautres processeurs.