Bölüm 9 · Yazılımın içi · Ders 44

Kilitlenme ve yarış durumu

İki iş parçacığı, iki kilit: program neden bazen durur ya da yanlış sayar?

Veri. Robotta iki iş parçacığı aynı anda çalışıyor: motor sürücüsü (M) ve sensör okuyucusu (S). İkisi de ortak bir komut sayacını artırıyor ve ikisi de iki paylaşılan kaynağa dokunuyor: A = motor veri yolu, B = sensör tamponu. Hangi iş parçacığının ne zaman çalışacağına işletim sistemi karar verir; biz bu araya girme sırasını bir tohumla canlandırıyoruz.

M önce A’yı, S önce B’yi kilitler: ters sırakilitlenme (ters sıra) · tohum 7

1 / 23

Senaryo (0 yarış · 1 kilitlenme · 2 düzeltilmiş) 1Tohum (araya girme sırası) 7

kilitlenme.pypython

import numpy as np
rng = np.random.default_rng(3) # araya girme sırası
def prog(a, b): # önce a, sonra b kilidi
body = [("lock", a), ("lock", b), ("read",), ("write",)]
return (body + [("unlock", b), ("unlock", a)]) * 3
th = {"M": prog("A", "B"), "S": prog("B", "A")} # ters sıra!
pc, owner, reg, counter = {"M": 0, "S": 0}, {}, {}, 0
def ready(t): # çalışabilir mi?
if pc[t] == len(th[t]): return False
op = th[t][pc[t]]
return op[0] != "lock" or owner.get(op[1]) in (None, t) # kilit boşsa
while run := [t for t in th if ready(t)]:
t = run[rng.integers(len(run))] # zamanlayıcı seçer
op = th[t][pc[t]]; pc[t] += 1
if op[0] == "lock": owner[op[1]] = t
if op[0] == "unlock": del owner[op[1]]
if op[0] == "read": reg[t] = counter # oku
if op[0] == "write": counter = reg[t] + 1 # yaz
if all(pc[t] == len(th[t]) for t in th):
print("bitti, sayaç", counter)
else:
print("KİLİTLENME:", owner, "sayaç", counter) # herkes bekliyor

Sahnedeki her sayı, aynı algoritmanın tarayıcında yapılan gerçek çalıştırmasından gelir (sabit tohum, her seferinde aynı sonuç). Python kodunu kendi bilgisayarında çalıştırırsan rastgele başlangıçlar farklı olacağı için sayılar biraz değişebilir.

Veri seti

Tüm veri setleri →

Bu dersin kodu verisini kendi içinde üretir; indirilecek dosya yok. Kodu yine de aşağıda tarayıcında çalıştırabilirsin.

Kodu tarayıcıda çalıştırPython · NumPy · matplotlib · Pyodide

Python ve NumPy bu sayfada, tarayıcında çalışır (Pyodide). Kodu değiştirip yeniden çalıştırabilirsin; dersin veri setleri çalışma klasöründe hazır. Kod matplotlib kullanırsa grafikler çıktının altında görünür, yazdığı dosyalar (ör. egitim_gecmisi.csv) indirilebilir.

kilitlenme.pypython

import numpy as np
rng = np.random.default_rng(3)                # araya girme sırası
def prog(a, b):                               # önce a, sonra b kilidi
    body = [("lock", a), ("lock", b), ("read",), ("write",)]
    return (body + [("unlock", b), ("unlock", a)]) * 3
th = {"M": prog("A", "B"), "S": prog("B", "A")}  # ters sıra!
pc, owner, reg, counter = {"M": 0, "S": 0}, {}, {}, 0
def ready(t):                                 # çalışabilir mi?
    if pc[t] == len(th[t]): return False
    op = th[t][pc[t]]
    return op[0] != "lock" or owner.get(op[1]) in (None, t)  # kilit boşsa
while run := [t for t in th if ready(t)]:
    t = run[rng.integers(len(run))]           # zamanlayıcı seçer
    op = th[t][pc[t]]; pc[t] += 1
    if op[0] == "lock": owner[op[1]] = t
    if op[0] == "unlock": del owner[op[1]]
    if op[0] == "read": reg[t] = counter      # oku
    if op[0] == "write": counter = reg[t] + 1  # yaz
if all(pc[t] == len(th[t]) for t in th):
    print("bitti, sayaç", counter)
else:
    print("KİLİTLENME:", owner, "sayaç", counter)  # herkes bekliyor

Kendi CSV’ni yükle

Çıktı

Çıktı burada görünecek.

Nasıl çalışır

Yarış: 'sayaç += 1' aslında iki adımdır: oku, sonra yaz. İkisi de 3 okur, ikisi de 4 yazar: bir artırma kaybolur. Hata yalnız bazı araya girme sıralarında olur; bu yüzden 'rastgele' bozulur.
Kilitlenme: M önce A'yı, S önce B'yi alır. Sonra M B'yi, S A'yı bekler. Bekleme grafiğinde döngü oluşur (M → B → S → A → M): hata yok, istisna yok, program yalnızca ilerlemez.
Düzeltme: herkes kilitleri aynı sırayla alır (önce A, sonra B); döngü oluşamaz. Sayaç için ise kilit ya da atomik işlem (tek adımda oku-artır-yaz) kullanılır.
Şunu dene: senaryo 1’de tohumu değiştir; bazı tohumlarda iş biter, yaklaşık yarısında kilitlenir. Senaryo 0’da da bazı tohumlar 10’u bulur, bazıları bulamaz. Senaryo 2’de hiçbir tohum kilitlenmez ve sayaç her zaman 6’dır.

Neden önemli

Robot yazılımı doğası gereği eşzamanlıdır: ROS 2'nin çok iş parçacıklı yürütücüsü, sürücü iş parçacıkları, kesme (interrupt) işleyicileri ve RTOS görevleri. Bu hatalar testte nadiren görünür, sahada bir gün robotu dondurur. Sabit kilit sırası, kilitleri kısa tutmak, atomik sayaçlar ve kilitsiz kuyruklar en yaygın çözümlerdir.

ESOF 323, 11. hafta: robotlarda derin öğrenme →