Concurrent Programming in Windows NT

1. Engenharia de Controle e Automação
Automação em Tempo Real
Módulo 1:
Introdução aos Sistemas de Automação
A problem well stated is a problem half solved
(Sir Isaac Newton)
Professor: Constantino Seixas Filho sexta-feira, 12 de outubro de 2012
1

2. Livro
 Seixas, Constantino e Szuster, Marcelo, Programação
Concorrente em ambiente WNT: Uma visão de automação,
Editora da UFMG, 2003
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3. Filosofia Geral – Modelo
Hierárquico
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4. Programação Concorrente
 Programação concorrente x Programação Seqüencial
Programação seqüencial [Gary Larson, The Far side Gallery]
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5. Monotarefa X Multitarefas
 Hoje tudo na vida é multitasking (multitarefas)
 Trabalho, esporte, lazer, cuidar de filhos, etc.
 Só faz sentido quando não estamos utilizando o mesmo recurso
da máquina
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6. Por que programação
concorrente ?
 O computador é mais rápido que seus usuários
Exemplo: digitação
 Bom digitador: 60 palavras /minuto
 Tempo de processamento de 1 caracter = 10 s
 Computador realiza 10 s de trabalho a cada 2.3 dias
 Em geral várias atividades não concorrem pelos mesmos
recursos: digitar, imprimir, ouvir mp3, baixar arquivos,
compilar, etc.
 Melhor modelamento das atividades
 O próprio sistema operacional é formado por dezenas de
processos concorrentes: arquitetura microkernel
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7. Arquitetura Microkernel
QNX
File
Manager CD-ROM
File
Manager Flash
File
Manager
Process
Manager NFS File Process File System
DOS File
Manager Manager Manager
Manager
kernel
Microkernel
Software bus
code
Device Network
Neutrino Manager Manager
Application
Photon Network
GUI Character Manager
Manager
Manager
TCP/IP CIFS File
Manager Manager
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Mqueue
Manager
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8. Natureza das Aplicações
 Cíclicas (Evento de tempo)
 Em resposta a eventos de processo ou de operação
 Sincronizadas ao mudo externo
 De tempo real
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9. Definições Básicas
 Escalonamento
 Scheduler = Escalonador
 Time-sharing
 Time-slice = Quantum
 Tasks: implementadas como processos ou threads
 Colaborativo x Preemptivo
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10. Preempção
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11. Chaveamento de Contexto
Chaveamento Chaveamento
Processo A de contexto Processo B de contexto Processo A
 A programação concorrente é mais ineficiente que a
programação seqüencial. Por que ?
 Só faz sentido quando não estamos utilizando o mesmo recurso
da máquina
 Processor bound (intensivo) x I/O bound
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12. Instruções Atômicas
X : = X + 1;
CPU CISC CPU RISC
inc <X> ld AX, <X>
inc <AX>
ld <X>, AX
 Instruções atômicas são instruções que o processador executa
como uma operação indivisível, isto é, sem interrupção
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13. CISC x RISC
CISC = Complete Instruction Set Computer
 Instruction Set com grande repertório de instruções
 Instruções gastam vários clocks para completar
 Processador possui poucos registradores internos
 Instruções envolvem memória externa
 ALU para inteiros apenas
 Operações floating point executadas em co-processador
externo
 Instruções utilizam microcódigo
 Exemplo: Intel 80386
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14. CISC x RISC
RISC = Reduced Instruction Set Computer
 Instruction Set com pequeno repertório de instruções
 Instruções executam em apenas 1 ou menos ciclos de clock
 Processador possui muitos registradores internos
 Instruções buscam dados externos para registardor interno e
operam com estes registardores
 Operações com inteiros e floating points
 Instruções não utilizam microcódigo
 Arquitetura pipeline e superescalar
 Exemplo: CPU Sparc SUN
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15. Pipeline
 Várias operações simultâneas
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 A CPU trabalha como uma linha de montagem
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16. Superescalar
 Duplicando a linha de montagem
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17. Mais Conceitos
 S.O. Multitasking  Multiprogramação (multitasking)
 S.O. Multiusuário
 S.O. Multiprocessado  Programação paralela
 Multiprocessamento Simétrico (SMP)
 Programação Distribuída
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18. Interrelação entre Processos
 Não dependentes
 Contenção
 Cooperação
P2
P1 P1
P1 P3
Mutex
P2
P2
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19. O Problema Fundamental da
Programação Concorrente
Processo A Processo B
int ConfirmaReserva(int PosicaoDesejada) int ConfirmaReserva(int PosicaoDesejada)
{ A1: if (MapaOcupacao[PosicaoDesejada]== LIVRE) { B1: if (MapaOcupacao[PosicaoDesejada]== LIVRE)
A2: MapaOcupacao[PosicaoDesejada]=OCUPADO; B2: MapaOcupacao[PosicaoDesejada]= OCUPADO;
else return(FALHA); else return(FALHA);
return(SUCESSO); return(SUCESSO);
} }
L L L O L L L L
O L L O O L O O
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20. O Problema Fundamental da
Programação Concorrente
Caso Intercalação Resultado
1 A1, A2, B1, B2 Programa A retorna SUCESSO e o Programa B retorna FALHA
2 B1, B2, A1, A2 Programa A retorna FALHA e o Programa B retorna SUCESSO
Programa A retorna SUCESSO e o Programa B retorna
3 A1, B1, A2, B2
SUCESSO
Programa A retorna SUCESSO e o Programa B retorna
4 B1, A1, A2, B2
SUCESSO
Programa A retorna SUCESSO e o Programa B retorna
5 A1, B1, B2, A2
SUCESSO
Programa A retorna SUCESSO e o Programa B retorna
6 B1, A1, B2, A2
SUCESSO
 Conclusão:
Na programação concorrente não basta que cada programa seqüencial
esteja logicamente correto. É necessário que produza um resultado
correto para qualquer ordem de intercalação de suas instruções com
uma outra instância do mesmo programa ou com qualquer outro
programa em execução. Isto não exclui o próprio sistema operacional
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21. Exercícios: Mandelbrot Set
zn +1 = z 2 n + p p = x + jy
(real_max, imag_max)
(0,0) coluna
y P
Plano complexo Tela
linha
T
x
(real_min, imag_min) (xmax, ymax)
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22. Exercícios: Mandelbrot Set
 Por que este problema
é bom para ser dividido
entre diversos
processadores ?
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23. Exercícios
 Como desenhar um círculo na tela do computador de forma
eficiente e dividindo a tarefa entre pelo menos duas tarefas ?
x2 + y2 = r2
para 0<x<r
x = r cos θ
y = r sin θ
para 0<θ<45o
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24. Exercícios
void MidPointCircle(int raio, int valor) // Fonte: Foley van Damn
// Assume centro do círculo na origem
// Algoritmo usando apenas aritmética de inteiros
{
int x = 0;
int y = raio;
int d = 1 – raio;
CirclePoints (x, y, valor);
while (y > x) {
if (d < 0) // Seleciona E
d += 2 * x + 3;
else { // Seleciona SE
d += 2 * (x-y) + 5;
y--; Princípio:
} // Compare dist de M ao centro com R2
x++; if M é interno ao círculo
CirclePoints(x, y, valor); escolha E
} // while else escolha SE
} // MidpointCircle
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25. Exercícios
void CirclePoints(int X, int Y, int valor)
begin
PutPixel(CX + X, CY + Y, valor); // ponto no octante 1
PutPixel(CX - X, CY + Y, valor); // ponto no octante 4
PutPixel(CX - X, CY - Y , valor); // ponto no octante 5
PutPixel(CX + X, CY – Y, valor); // ponto no octante 8
PutPixel(CX + Y, CY + X, valor); // ponto no octante 2
PutPixel(CX - Y, CY + X, valor); // ponto no octante 3
PutPixel(CX - Y, CY – X, valor); // ponto no octante 6
PutPixel(CX + Y, CY – X, valor) // ponto no octante 7
end; // Circle Points
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26. Exercícios - Sort
 Colocar os números abaixo em ordem crescente usando um
algoritmo que permita dividir a tarefa entre dois ou mais processos.
Qual o algoritmo clássico mais aderente a este problema ?
 N = { 737, 4, 4354, 22, 54, 742, 672, 223, 42, 3, 77, 122, 4554,
675, 1, 564, 12, 343 }
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27. Exercícios - Escalonamento
 Um casal deve realizar três tarefas: cortar a grama, passar o
aspirador no chão e dar banho e trocar o bebê. Todas as três
tarefas levam trinta minutos para ser realizadas e podem ser
executadas por uma pessoa individualmente. Como conseguir a
melhor alocação destas tarefas no tempo de tal forma a terminar
o mais rápido possível ?
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28. Exercícios - Escalonamento
 Quatro pessoas têm de atravessar uma passarela bamba à noite.
Há muitos buracos na passarela, que suporta apenas duas pessoas
de cada vez (mais do que isso ela cai). O grupo deve usar uma
lanterna para guiar seus passos; caso contrário, acabará caindo
num buraco e morrendo. Só há uma lanterna. As quarto pessoas
andam a velocidades diferentes. Adam consegue cruzar a
passarela em um minuto; Larry, em dois minuto; Edge leva cinco
minutos; e o mais lento, Bono, precisa de dez minutos. A passarela
vai ruir dentro de exatamente dezessete minutos. Como os quarto
podem atravessá-la ?
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29. Muito Obrigado
Constantino Seixas Filho
constantino.seixas@task.com.br
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