Mme Fatima-Zahra BELOUADHA Ecole Mohammadia d

(1)

a-Zahra BELOUADHA Ecole Mohammadia d

Ingénieurs’

Introduction aux systèmes d ’ exploitation

Module systèmes d’exploitation Cours de 28h, Deuxième année

Filière Génie Informatique

Ecole Mohammadia d’Ingénieurs

Mme Fatima-Zahra BELOUADHA

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me Fatima-Zahra BELOUADHA Ecole Mohammadia d

Ingénieurs’

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Plan

 Introduction

 Gestion de Processus

 Système de gestion de fichiers

 Gestion de la mémoire

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Ingénieurs’

Introduction

 Système informatique

 Fonctionnalités du SE

 Historique

 Classes des systèmes

 Modes d'exécution et Appels systèmes

 Interpréteur de commandes

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Ingénieurs’

4

Système informatique

Applications (Jeux, Word,…) Système d’exploitation

Matériel

Compilateur Editeur Interpréteur de commande

Programmes Système

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Ingénieurs’

Fonctionnalités du SE (1/3)

 Offrir une machine virtuelle

 Interface plus simple à utiliser que le matériel.

 Exemple : Utilisation du contrôleur de disquettes

16 commandes : lecture, écriture d’un secteur, déplacement de bras, formatage,…

Une Commande a plusieurs paramètres : nombre de secteurs, distance entre les secteurs, Numéro de secteur…

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Ingénieurs’

6

 Gérer la mémoire pour l'exécution des tâches

 Gérer et conserver l'information

 Assurer l'interaction et la communication entre programmes

 Assurer la protection et gérer les erreurs…

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Ingénieurs’

 Gérer et contrôler les ressources partagées

 Répartir les ressources entre les utilisateurs ou programmes demandeurs

 Eviter les conflits d’accès à ces ressources

 Exemple : Partage d’imprimante

Verrouiller l’accès à l’imprimante lors d'impression

Gérer les tampons d’impression

Gérer la file d’attente…

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Ingénieurs’

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Historique

 Premiers systèmes, Tubes à vide (1945−1955)

 Systèmes de traitement par lot, transistors (1955−1965)

 Systèmes multiprogrammés et à temps partagé, Circuits intégrés (1965−1980)

 Systèmes des ordinateurs personnels, LSI (1980-1990)

 Systèmes "micro-noyau", VLSI (1990…)

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Ingénieurs’

Premiers systèmes (1945−1955)

 Machines à tubes à vide volumineuses, très fragiles et très lentes

 Absence de système d’exploitation

 Calculs simples (tables des sinus et cosinus)

 Programmation en langage machine sur des cartes enfichables ou cartes perforées

 Construction, programmation et maintenance effectuées par un seul groupe

 Système mono-usager (réservation)

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Ingénieurs’

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Systèmes de traitement par lots (1955−1965)

 Machines à transistors fiables mais coûteuses

 Programmation en Fortran et Assembleur

 Premiers logiciels de base : chargeur et compilateur Fortran

 Distinction entre opérateurs, constructeurs, programmeurs et utilisateurs

 Soumission des travaux

 Enchaînement des travaux par l'opérateur

 Inactivité de la CPU lors de la préparation

 Traitement par lots

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Ingénieurs’

Traitement par lots (Batch)

 +ieurs travaux sur bandes magnétiques sont exécutés consécutivement par l'ordinateur

 Ordinateurs auxiliaires pour la lecture des cartes et l'impression (Opérations lentes)

 1^er SE : Moniteur pour l'enchaînement automatique des travaux

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Ingénieurs’

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Traitement par lots

 Premiers systèmes Moniteurs

 FMS : Fortran Monitor System

 IBSYS : IBM 7094

Données$END

$RUN Programme

$JOB(nom,organisme…)

$LOAD

$FORTRAN

Cartes d'un travail FMS

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Ingénieurs’

Traitement par lots : Inconvénients

 Mono-programmation

 CPU encore mal utilisée (attente des E/S)

 Machines incompatibles et SE différents :

 IBM 7094 : calcul scientifique (equ. diff…)

 IBM 1401 : traitement commercial (tri, impression…)

 Coût de maintenance élevé

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Ingénieurs’

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Systèmes multiprogrammés et à temps partagé (1965−1980)

 Machines à circuits intégrés moins coûteuses et plus performantes

 Famille d’ordinateurs compatibles et SE

unique (machines avec même architecture et jeu d’instructions : IBM 360, 370…)

 E/S spoolées : Utilisation de la MS au lieu des bandes magnétiques

 Apparition de la multiprogrammation

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Ingénieurs’

Multiprogrammation

 Exécution d'une autre tâche si celle en cours attend une E/S

 Partitionnement de la mémoire (plusieurs tâches à la fois en MC)

 Ordonnancement des travaux

 Systèmes non interactifs

 Systèmes à temps partagé

Travail1 Travail2

SE

…

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Ingénieurs’

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Systèmes à temps partagé (time sharing)

 Partage de l'UC entre plusieurs tâches par

quantum de temps  Traitement "simultané"

 Plusieurs utilisateurs connectés en ligne sont servis à la fois de façon interactive

 Systèmes d’exploitation complexes

 CTSS

 MULTICS (MULTiplexed Information and Computing Service) ancêtre d'Unix

 Unix (le plus porté)

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Ingénieurs’

Systèmes des ordinateurs personnels (1980-1990)

 Machines à circuits LSI (Large Scale Integration) : des transistors au cm²

 Machines moins coûteuses

 Ms-Dos, Windows, Mac OS, Linux…

 Apparition des systèmes centralisés en réseaux

 Apparition des systèmes distribués

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Ingénieurs’

18

SE en réseaux et SE répartis

 SE en réseaux (Windows, Linux…)

 Chaque machine a son propre SE

 Connexion à des machines distantes, transferts de fichiers

 Machine utilisée par plusieurs utilisateurs

 SE répartis ou distribués

 Système réparti sur un domaine

 1 Machine virtuelle (à plusieurs processeurs)

 Transparence à la localisation des ressources

 Fiabilité et tolérance aux pannes

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Ingénieurs’

Systèmes "micro−noyau" (1990…)

 Systèmes embarqués réalisés avec + ou - de modules (fonctions)

 Adaptés aux ordinateurs portables et de poche

 PDA : Personal Digital Assistant

 PIC : Personal Intelligent Communicator

 Palm OS, Windows CE…

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Ingénieurs’

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Classes des systèmes

Selon les contraintes d'utilisation

 Mono-utilisateur/mono-tâche (MS-DOS)

 Un seul utilisateur/une seule tâche à la fois

 Mono-utilisateur/multi-tâches(Windows XP)

 Un seul utilisateur à la fois exécute plusieurs tâches simultanément

 Multi−utilisateurs/multi-tâches (Unix)

 Plusieurs utilisateurs à la fois exécutent chacun plusieurs tâches simultanément et partagent les mêmes ressources matérielles

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Ingénieurs’

Selon les services

 Systèmes temps réel

 Utilisés dans des domaines spécifiques

(procédés, robotique, centrales nucléaires…)

 Temps de réponse des tâches critiques court

 Fiables et tolérants aux pannes

 Systèmes transactionnels

 Gestion des bases de données énormes (systèmes de réservation, systèmes bancaires…)

 garantir des mises à jour sans incohérence

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Ingénieurs’

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Selon l'architecture matérielle

 Systèmes mono-processeur

 Multiprogrammés et à temps partagé (pseudo- parallélisme)

 Systèmes parallèles : multiprocesseurs (SunOS 4, SunOS 5, Solaris 2 et Linux)

 Traitement parallèle par plusieurs processeurs

 Grande capacité de traitement, temps de réponse court et fiabilité

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Ingénieurs’

Modes d'exécution

 Mode utilisateur : non protégé

 Exécution des programmes des utilisateurs

 Permet à l'utilisateur de modifier des données de son programme

 Mode noyau : protégé et réservé au SE

 Accès au code et données utilisées par le SE

 Lecture et écriture sur les ports d’E/S

 Permet de protéger les données sensibles

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Ingénieurs’

24

Appels systèmes

 Interface entre les programmes utilisateurs et le SE

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Ingénieurs’

Interpréteur de commandes

 Utilitaire et non pas une partie du SE

 Exemple : Shell sous Unix

 Il tourne constamment dès la connexion

 Dès qu'une commande (ls, cat, sort… sous Unix) est lancée, il fait un appel système à la fonction correspondante.

(26)

Ingénieurs’

26

Chapitre 2 : Gestion de processus

 Notions de processus

 Gestion de processus

 Gestion des interruptions

 Appels système sous Unix

 Ordonnancement de processus

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Ingénieurs’

Notions de processus

 Processus=programme en cours d'exécution

 Un processus est exécuté par un processeur

 Plusieurs processus peuvent être associés à un programme

 Chaque processus possède un espace de

travail en mémoire, son compteur ordinal et

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Ingénieurs’

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Espace de travail d’un processus

Code Données

Pile

Instructions

Appels de fonctions + Variables locales

Variables globales +

Allocations dynamiques

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Ingénieurs’

Systèmes à temps partagé

 Le processeur est commuté entre plusieurs processus

 Un seul processus est exécuté à la fois

 Tous les processus progressent (Pseudo parallélisme)

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Ingénieurs’

30

Etats d'un processus

 Actif (élu)

s'il est en cours d'exécution par le processeur

 Prêt

s'il est en attente du processeur pour s'exécuter

 Bloqué

s'il est en attente d'un événement extérieur (lecture disque/clavier, données d’un autre processus…)

 …

(31)

Ingénieurs’

Exemples sous Unix

 who | wc -l

 Le processus wc se bloque en attente des résultats du processus who

 cc programme.c & cat lettre.txt

 cc et cat sont 2 processus concurrents

 Le processus cc reste prêt en attente de l'exécution du cat

(32)

Ingénieurs’

32

Diagramme de transitions d'états d'un processus

4 2

3 1

Bloqué Prêt

Actif

(33)

Ingénieurs’

Exemple de transitions d'états

Processus A Processus B Processus C

Exécution

Lecture du fichier Exécution

Données disponibles Exécution

Exécution Affichage à l'écran

Exécution

Ecriture fichier Exécution Exécution Données transférées Fin du processus Lecture du fichier Exécution

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Ingénieurs’

34

Exemples de processus

 Une maman (Processeur) prépare une recette avec des ingrédients (processus).

 Sa fille est piquée par une abeille (événement prioritaire)

 La maman interrompt la préparation, marque le point où elle a interrompu la recette et

soigne sa fille grâce au livre de soins (autre processus).

 La maman peut reprendre la recette là où elle l’avait interrompue

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Ingénieurs’

Gestion de processus

 Chaque processus possède un PCB

 Compteur ordinal,

 Registres de l’UC (Pointeur pile, pointeur code, pointeur données…)

 Numéro du processus (PID), PPID, état, priorité,

 Liste des fichiers ouverts, E/S utilisées,

 Temps UC utilisé,

 …

 Les PCBs sont rangés dans une table de processus

(36)

Ingénieurs’

36

Création de processus

 Un processus ne peut être créé que par un autre au moyen d'un appel système

 Un fils a un PCB initialisé à celui du père

(sauf le PID, le PPID et le temps UC) et une copie des blocs de données et de code

 Les processus sont structurés en arborescence à partir d'un ancêtre créé au démarrage

Cas d'Unix :

init Ksh (Korn shell)…

ls pwd …

Démon1

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Ingénieurs’

Destruction de processus

 Un processus est détruit en général à la fin de son exécution

 Il peut être détruit à la demande d'un autre processus ayant ce droit (comme le père)

 Lorsqu'un processus est détruit, son PCB et ses ressources sont libérés

 La destruction du père peut entraîner celle de sa descendance

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Ingénieurs’

38

Commutation et ordonnancement de processus

 Le processeur bascule successivement d'un processus à l'autre à chaque fin de quantum

 Le processeur est commuté également suite à un appel système ou une interruption : E/S…

 La commutation est réalisée au moyen d'un ordonnanceur et un mécanisme d'interruption

 L'interruption provoque un changement de contexte (CO, registres…)

 L'ordonnanceur choisit parmi les processus prêts celui qui doit devenir actif

(39)

Ingénieurs’

Commutation de processus

(40)

Ingénieurs’

40

Interruptions

 Une interruption est provoquée par un signal généré par le matériel

 Les interruptions sont dues à des événements internes ou externes et peuvent être de type :

 Horloge (Quantum épuisé)

 Disque (E/S)

 Appel système fait par le processus…

 A chaque type est associée une routine de traitement d'interruption dont l'adresse se trouve dans le vecteur d'interruption

(41)

Ingénieurs’

Types d'interruptions Unix

N°

d'interruption

Type

0 1 2 3 4 5

Horloge Disque Terminaux

Autres périphériques Logicielle (Traps)

Autres

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Ingénieurs’

42

Mécanisme et gestion des interruptions

 le processeur place le CO et les registres du processus courant dans la pile

 Il charge le CO de la routine de traitement

 La routine de traitement sauvegarde le PCB du processus dans la table et appelle la

procédure de gestion de l'interruption

 Lorsque le processus interrompu est réélu, la routine de traitement recharge son contexte

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Ingénieurs’

Gestion des interruptions

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Ingénieurs’

44

Appels systèmes

 Un appel système est un moyen d'accès aux données sensibles protégées par le système (mémoire, disque…)

 Un appel système provoque une interruption logicielle (trap) suivie du chargement du

code de la fonction appelée

 Un appel système n’est en général pas interruptible (haute priorité : swapper…)

(45)

Ingénieurs’

Appels système pour la gestion de processus sous Unix (1/3)

 Identification

 int getpid(void) : identité du processus courant

 int getppid(void) : identité du processus père

 Création :

 int fork(void) : crée un processus fils et retourne

-1 en cas d’erreur

0 dans le processus fils

L'identité du fils dans le processus père

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Ingénieurs’

46

 Terminaison

 void exit(int ) : termine le processus appelant et met la valeur int dans son PCB

 Attente :

 int wait(int *) : provoque une attente de la fin d’un processus fils et retourne

 -1 si le processus n'a pas de fils

 Identité d'un processus fils terminé (Retour immédiat ou blocage jusqu’à terminaison d’un fils)

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Ingénieurs’

 Recouvrement : Le code du processus

appelant est remplacé par un nouveau code donné en paramètre

 6 primitives exec (nombre de paramètres)

execv(char *, char *[])

execvp(char *, char *[])

execve(char*, char*[], char*[])

…

(48)

Ingénieurs’

48

Ordonnancement (scheduling)

 L'ordonnanceur élit un processus prêt selon un algorithme

 L'algorithme doit garantir :

 Equité

 Efficacité (Taux d’utilisation )

 Temps de réponse minimal

 Temps moyen d'exécution minimal (Attente )

 Rendement maximal (Travaux effectués )

 2 types d'ordonnancement : avec réquisition et sans réquisition

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Ingénieurs’

Ordonnancement et algorithmes sans réquisition

 Un processus n'est élu qu'après terminaison ou blocage du processus courant

 Appliqué dans des systèmes de traitement par lot

 Premier arrivé, premier servi

 File d'attente ordonnée selon l'ordre d'arrivée

 Plus court d'abord

 Suppose que les temps d'exécution sont connus d'avance

 File classée par lots de processus arrivés au

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Ingénieurs’

50

Ordonnancement avec réquisition

 Suspension du processus courant suite à une interruption horloge (expiration du quantum) ou une autre interruption matérielle

 Choix du quantum est crucial (100ms)

 Trop petit => moins d'efficacité

 Trop élevé => temps de réponse élevé

 Des mécanismes de résolution de conflit d'accès sont nécessaires (synchronisation)

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Ingénieurs’

Algorithmes avec réquisition (1/2)

 Circulaire ou tourniquet (round robin)

 Utilise une liste circulaire chaînée

 Le processeur est retiré et alloué au processus suivant à la fin d'un quantum de temps ou au blocage ou achèvement du processus courant

 Algorithme simple et fiable

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Ingénieurs’

52

Algorithmes avec réquisition (2/2)

 Avec priorité

 Les processus sont rangés par classes de priorité

 Les processus de la classe de haute priorité sont exécutés en premier

 A chaque classe correspond une file d'attente gérée par l'algorithme du tourniquet

 En général, les priorités sont dynamiques afin d'éviter le monopole de l'UC

(53)

Ingénieurs’

Ordonnancement dans Unix

 2 classes de priorité : noyau et utilisateur

 Chaque classe contient plusieurs priorités

 A 1 priorité est associée 1 file de processus

 Priorités dynamiques

 Les processus de haute priorité sont non interruptibles

 Un processus modifie sa priorité par l'appel système : int nice(int) de unistd.h

 Un super-utilisateur peut supprimer un travail

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Ingénieurs’

54

Ordonnancement dans Unix

(55)

Ingénieurs’

Synchronisation des processus

 Les processus concurrents peuvent être coopératifs ou indépendants

 Les processus peuvent coopérer en partageant des ressources (mémoire, imprimante…) ou par communication de données

 L'accès concurrent peut engendrer des conflits

 Le SE permet de synchroniser les activités des processus et l'accès aux ressources en cas d'accès concurrents

(56)

Ingénieurs’

56

Exemple du spoole d'impression

 Fichiers à imprimer classés dans un répertoire dans l'ordre de leur arrivée

 Processus demandeur d'impression met le fichier à imprimer dans le prochain emplacement libre (in)

 Processus d’impression retire le prochain fichier à imprimer (out)

fichier4 fichier3 fichier5 out=3

4 5 in=6

(57)

Ingénieurs’

Accès concurrents et Sections critiques

 Demande d’impression :

 1. lire in;

 2. placer_fichier (in);

 3. in=in + 1;

 Accès concurrent à la variable partagée in

 Les processus A et B demandent simultanément l’impression mais A est interrompu avant 3

 Demande d’impression est une section critique

Partie du programme où peut se produire des

(58)

Ingénieurs’

58

Exclusion mutuelle

 Deux processus ne peuvent utiliser la section critique (SC) à la fois

 Contrôler l'accès et la sortie de la SC

 1- Réserver l'accès si la SC est libre ou attendre

 2- Utiliser la SC

 3- Signaler la sortie de la SC aux autres

(59)

Ingénieurs’

Règles de la synchronisation

 Exclusion mutuelle

 Famine : Aucun processus ne doit attendre trop longtemps pour entrer en SC

 Interblocage : Aucun processus suspendu en dehors des sections critiques ne doit bloquer les autres

 Aucune hypothèse sur les vitesses relatives des processus

(60)

Ingénieurs’

60

Solutions pour la synchronisation

 Masquage des interruptions

 Solutions avec attente active

 Verrous

 TSL

 Alternance

 Alternance de Peterson

 Solutions sans attente active

 sleep et wakeup, Les sémaphores, Les

moniteurs, La communication par message

(61)

Ingénieurs’

1ère Solution :

Masquage des interruptions

 Masquer les interruptions avant d’entrer en SC et les restaurer après

 Plus de commutation : l’interruption horloge est ignorée

 inadaptée aux systèmes multi-processeurs

 Dangereuse

 Inéquitable

 Peut bloquer un processus prioritaire

(62)

Ingénieurs’

62

Solutions avec attente active :

Les verrous

 Algorithme :

 1- while (verrou == 1) ; /*Attente active*/

 2- verrou=1 ; /*Verrouillage*/

 3- section_critique();

 4- verrou=0 ; /*Déverrouillage*/

 Attente active : un processus ne pouvant entrer en SC utiliserait l’UC inutilement

 Deux processus se trouvent à la fois en SC :

 Si le système est multi-processeur

 S'il y a interruption entre 1 et 2

Protéger le verrou par l'instruction TSL

(63)

Ingénieurs’

Solutions avec attente active :

L'instruction câblée TSL

 L'appel de TSL bloque l'accès en mémoire

 Algorithme :

Entrer_en_SC :

 TSL reg,verrou ;met la valeur du verrou dans le

;registre et la remplace par 1 en

;mémoire si elle est nulle

 CMP reg,0 ;Teste si verrou est libre

 JNZ Entrer_en_SC ;Boucle si verrou non libre

 CALL Section_Critique

(64)

Ingénieurs’

64

L

^’alternance

 Algorithme d’utilisation pour N processus

 While (1) {

 while (tour != monNumero) ; /*Attente active*/

 Section_critique();

 tour = (monNumero +1) % N ; /*Au suivant*/

 Suite du programme }

 Simple et facile

 Famine si le tour est cédé à un processus non intéressé immédiatement par la SC

 Interblocage si le tour est cédé à 1 processus bloqué

(65)

Ingénieurs’

Solution de Peterson (1981)

 Plus de famine ni d'interblocage

 Un processus souhaitant utiliser la SC doit le

signaler et positionner soit même la variable tour

 Un processus intéressé peut entrer en SC même si c’est pas son tour quand l’autre ne l’est pas

 Utilise un drapeau (tableau) et une variable tour

(66)

Ingénieurs’

66

Solution de Peterson (1981)

 Algorithme pour deux processus P0 et P1

 interesse[ps]=1 ; /*Lever le drapeau*/

 tour = ps ; /*Passer en dernier*/

 while (tour==ps && interesse[1-ps]==1);

 Section_critique();

 interesse[ps]=0;

 Attente active

 Processus prioritaire est mis en attente si l'autre est intéressé et a le tour

(67)

Ingénieurs’

Solutions sans attente active

 Un processus s'endormit et ne sera réveillé que lorsqu'il pourra entrer en SC

 Appels système sleep et wakeup

 Les sémaphores

 Les moniteurs

 La communication par message