Table des matières

1. Thème

Un problème classique de synchronisation de threads ou processus est connu sous le nom « Problème des producteurs et des consommateurs » : les producteurs fournissent des données aux consommateurs, cet échange se fait par l'intermédiaire d'une « boîte à lettres » qui est gérée en FIFO et a la particularité d'avoir une taille limitée. Il faut donc faire en sorte qu'un producteur soit suspendu quand la boîte est pleine, et qu'un consommateur le soit quand la boîte est vide.

Le type des données échangées est, bien sûr, sans importance pour les aspects liés à la synchronisation, nous utiliserons ici des entiers. Par ailleurs, les aspects algorithmiques de gestion de la boîte aux lettres (gérée comme un tableau circulaire) ne sont pas l'objet de cet exercice, le code vous est donc donné.

Dans une première version, les producteurs et consommateurs seront des processus légers (ou thread). La seconde version utilisera des processus et la mémoire partagée.

2. Description des fichiers et du code fourni

2.1. Générateur de nombres aléatoires

• Fichier : Random.hpp

Cette classe fournit un service de génération de nombres aléatoires entre 0 et une valeur maximale précisée à la construction. Son utilisation est très simple :

#include "Random.hpp"

// Création du générateur pour des entiers entre 0 et 50
Random generator{ 50 };
// Obtention d'un nombre aléatoire
int alea{ generator() };

La principale utilisation de ce service est de mettre en sommeil un thread pendant un temps aléatoire, ce qui peut être fait ainsi :

#include <chrono>
#include <thread>

// Définition de l'unité de temps : un nombre entier de microsecondes
using microseconds = std::chrono::duration< int, std::micro >;

// Dans une méthode ou une fonction exécutée par un thread :
{
    // Attente aléatoire entre 0 et 50 µs
    std::this_thread::sleep_for( microseconds{ generator() });
}

2.2. Flux de sortie synchronisé

• Fichier : thread/osyncstream.hpp

Quand plusieurs threads veulent afficher des messages dans un même terminal, il faut mettre en place un mécanisme pour éviter que les messages se mélangent.

C++20 propose pour cela osyncstream qui s'utilise ainsi :

// Dans une méthode ou une fonction exécutée par un thread :
{
    // L'affichage n'est réellement effectué que dans le destructeur de osyncstream 
    // qui est automatiquement appelé à la fin de l'instruction.
    osyncstream{ std::cout } << "hello" << " " <<  "world" << "\n";
}

Le fichier osyncstream.hpp propose ce service sous une forme très limitée (pas de manipulateur comme std::endl par exemple), mais suffisante pour ce TP (peu d'environnements avec une bibliothèque standard C++20).

2.3. Boîte à lettres

• Fichiers : BasicMessageBox.hpp, thread/MessageBox.hpp et process/MessageBox.hpp

La classe BasicMessageBox offre le service algorithmique (sans synchronisation) de boîte à lettres. Pour détecter les erreurs, les places vides de la boîte ont leur valeur fixée à -1. Cette particularité ne doit pas être utilisée pour savoir si une place est vide ou pas dans la boîte.

Il faudra ajouter à ce service les mécanismes de synchronisation entre threads (fichier thread/MessageBox.hpp) ou entre processus (fichier process/MessageBox.hpp).

2.4. Producteur et consommateur

• Fichiers : ProdOrCons.hpp, thread/Producer.hpp, thread/Consumer.hpp, process/Producer.cpp et process/Consumer.cpp

La classe ProdOrCons est la superclasse des producteurs et consommateurs, elle stocke les attributs nécessaires, fournit le constructeur, et définit sous forme abstraite l'opérateur appel de fonction qui sera utilisé pour lancer l'exécution du producteur ou du consommateur.

Les comportements du producteur et du consommateur doivent être écrits dans les fichiers thread/Producer.hpp et thread/Consumer.hpp pour la version avec threads, dans les fichiers process/Producer.cpp et process/Consumer.cpp pour la version avec processus.

Les fichiers process/Producer.cpp et process/Consumer.cpp définissent aussi la fonction principale du producteur et du consommateur.

3. Un producteur et un consommateur en processus légers (1,5 point)

• Compléter le code du producteur (fichier thread/Producer.hpp) et du consommateur (fichier thread/Consumer.hpp).
  
  

• Écrire la fonction one_producer_one_consumer() (fichier thread/Threads.cpp) qui crée les différents objets et threads ; le producteur déposera 20 messages dans la boîte, le consommateur en extraira autant.
• Compiler et exécuter le programme, constater que le comportement n'est pas satisfaisant (extraction par le consommateur de nombres négatifs).
  
  

• Ajouter dans thread/MessageBox.hpp les instructions nécessaires de synchronisation afin d'obtenir un comportement correct. Vous aurez besoin d'utiliser des mutex, des unique_lock et des condition_variable.
  
  

4. Des producteurs et des consommateurs en processus légers (1 point)

• Écrire la fonction several_producers_and_consumers() qui crée un nombre aléatoire, entre 10 et 20, de consommateurs (chacun extraira 20 messages), 2 fois plus de producteurs (chacun déposera 10 messages) ; la même boîte à lettres est utilisée. Vérifier le bon fonctionnement, corriger si nécessaire.
  
  

    std::vector< std::thread > group;
    group.push_back( std::thread{ Producer{ ... )}};

5. Partie avancée : un producteur en un consommateur en processus séparés (1,5 point)

L'objectif est maintenant que le producteur et le consommateur soient des processus différents qui utiliseront une boîte à lettres située dans une zone de mémoire partagée. Vous pouvez reprendre le code précédent du producteur et du consommateur, en supprimant les parties non utiles (par exemple, comme il n'y aura qu'un seul processus léger, le processus lui-même, il est inutile de conserver le mécanisme de sérialisation de l'affichage).

Les systèmes d'exploitation fournissent en général des services de communication et d'accès à des zones de mémoire partagée, des mécanismes de synchronisation entre processus... Cependant, il peut y avoir des différences plus ou moins grandes selon les différents systèmes (en particulier entre Windows® et Unix®) et les API ne sont pas les mêmes.

Une solution courante à ce problème est d'utiliser une bibliothèque qui va masquer ces différences et proposer une interface unique. Nous utiliserons Boost.Interprocess pour cet exercice.

Vous trouverez en particulier sur la page de documentation sur la mémoire partagée des exemples de code que vous pourrez en partie reprendre pour cet exercice.

 wget https://wdi.centralesupelec.fr/3IF1020/downloads/Main/boost-interprocess.zip
 unzip boost-interprocess.zip

 c++ -std=c++20 -I boost-interprocess programme.cpp -lpthread -lrt

MessageBox * box{ new( addr ) MessageBox( /* arguments du constructeur */ )};