Буферизация

Может ли линия связи сохранять информацию, переданную одним процессом, до ее получения другим процессом или помещения в промежуточный объект? Каков объем этой информации? Иными словами, речь идет о том, обладает ли канал связи буфером и каков объем этого буфера. Здесь можно выделить три принципиальных варианта.

Буфер нулевой емкости или отсутствует. Никакая информация не может сохраняться на линии связи. В этом случае процесс, посылающий информацию, должен ожидать, пока процесс, принимающий информацию, не соблаговолит ее получить, прежде чем заниматься своими дальнейшими делами (в реальности этот случай никогда не реализуется).Буфер ограниченной емкости. Размер буфера равен n, то есть линия связи не может хранить до момента получения более чем n единиц информации. Если в момент передачи данных в буфере хватает места, то передающий процесс не должен ничего ожидать. Информация просто копируется в буфер. Если же в момент передачи данных буфер заполнен или места недостаточно, то необходимо задержать работу процесса отправителя до появления в буфере свободного пространства.Буфер неограниченной емкости. Теоретически это возможно, но практически вряд ли реализуемо. Процесс, посылающий информацию, никогда не ждет окончания ее передачи и приема другим процессом.

При использовании канального средства связи с непрямой адресацией под емкостью буфера обычно понимается количество информации, которое может быть помещено в промежуточный объект для хранения данных.

Информационная валентность процессов и средств связи

Следующий важный вопрос – это вопрос об информационной валентности связи. Слово "валентность" здесь использовано по аналогии с химией. Сколько процессов может быть одновременно ассоциировано с конкретным средством связи? Сколько таких средств связи может быть задействовано между двумя процессами?

Понятно, что при прямой адресации только одно фиксированное средство связи может быть задействовано для обмена данными между двумя процессами, и только эти два процесса могут быть ассоциированы с ним. При непрямой адресации может существовать более двух процессов, использующих один и тот же объект для данных, и более одного объекта может быть использовано двумя процессами.

К этой же группе вопросов следует отнести и вопрос о направленности связи. Является ли связь однонаправленной или двунаправленной? Под однонаправленной связью мы будем понимать связь, при которой каждый процесс, ассоциированный с ней, может использовать средство связи либо только для приема информации, либо только для ее передачи. При двунаправленной связи каждый процесс, участвующий в общении, может использовать связь и для приема, и для передачи данных. В коммуникационных системах принято называть однонаправленную связь симплексной, двунаправленную связь с поочередной передачей информации в разных направлениях – полудуплексной, а двунаправленную связь с возможностью одновременной передачи информации в разных направлениях – дуплексной. Прямая и непрямая адресация не имеет непосредственного отношения к направленности связи.

Как устанавливается связь?

Могу ли я использовать средство связи непосредственно для обмена информацией сразу после создания процесса или первоначально необходимо предпринять определенные действия для инициализации обмена? Например, для использования общей памяти различными процессами потребуется специальное обращение к операционной системе, которая выделит необходимую область адресного пространства. Но для передачи сигнала от одного процесса к другому никакая инициализация не нужна. В то же время передача информации по линиям связи может потребовать первоначального резервирования такой линии для процессов, желающих обменяться информацией.

К этому же вопросу тесно примыкает вопрос о способе адресации при использовании средства связи. Если я передаю некоторую информацию, я должен указать, куда я ее передаю. Если я желаю получить некоторую информацию, то мне нужно знать, откуда я могу ее получить.

Различают два способа адресации: прямую и непрямую. В случае прямой адресации взаимодействующие процессы непосредственно общаются друг с другом, при каждой операции обмена данными явно указывая имя или номер процесса, которому информация предназначена или от которого она должна быть получена. Если и процесс, от которого данные исходят, и процесс, принимающий данные, указывают имена своих партнеров по взаимодействию, то такая схема адресации называется симметричной прямой адресацией. Ни один другой процесс не может вмешаться в процедуру симметричного прямого общения двух процессов, перехватить посланные или подменить ожидаемые данные. Если только один из взаимодействующих процессов, например передающий, указывает имя своего партнера по кооперации, а второй процесс в качестве возможного партнера рассматривает любой процесс в системе, например ожидает получения информации от произвольного источника, то такая схема адресации называется асимметричной прямой адресацией.

При непрямой адресации данные помещаются передающим процессом в некоторый промежуточный объект для хранения данных, имеющий свой адрес, откуда они могут быть затем изъяты каким-либо другим процессом. Примером такого объекта может служить обычная доска объявлений или рекламная газета. При этом передающий процесс не знает, как именно идентифицируется процесс, который получит информацию, а принимающий процесс не имеет представления об идентификаторе процесса, от которого он должен ее получить.

При использовании прямой адресации связь между процессами в классической операционной системе устанавливается автоматически, без дополнительных инициализирующих действий. Единственное, что нужно для использования средства связи, – это знать, как идентифицируются процессы, участвующие в обмене данными.

При использовании непрямой адресации инициализация средства связи может и не требоваться. Информация, которой должен обладать процесс для взаимодействия с другими процессами, – это некий идентификатор промежуточного объекта для хранения данных, если он, конечно, не является единственным и неповторимым в вычислительной системе для всех процессов.

Как завершается связь?

Наконец, важным вопросом при изучении средств обмена данными является вопрос прекращения обмена. Здесь нужно выделить два аспекта: требуются ли от процесса какие-либо специальные действия по прекращению использования средства коммуникации и влияет ли такое прекращение на поведение других процессов. Для способов связи, которые не подразумевали никаких инициализирующих действий, обычно ничего специального для окончания взаимодействия предпринимать не надо. Если же установление связи требовало некоторой инициализации, то, как правило, при ее завершении бывает необходимо выполнить ряд операций, например сообщить операционной системе об освобождении выделенного связного ресурса.

Если кооперативные процессы прекращают взаимодействие согласованно, то такое прекращение не влияет на их дальнейшее поведение. Иная картина наблюдается при несогласованном окончании связи одним из процессов. Если какой-либо из взаимодействующих процессов, не завершивших общение, находится в этот момент в состоянии ожидания получения данных либо попадает в такое состояние позже, то операционная система обязана предпринять некоторые действия для того, чтобы исключить вечное блокирование этого процесса. Обычно это либо прекращение работы ожидающего процесса, либо его извещение о том, что связи больше нет (например, с помощью передачи заранее определенного сигнала).

Категории средств обмена информацией

Процессы могут взаимодействовать друг с другом, только обмениваясь информацией. По объему передаваемой информации и степени возможного воздействия на поведение другого процесса все средства такого обмена можно разделить на три категории.

Сигнальные. Передается минимальное количество информации – один бит, "да" или "нет". Используются, как правило, для извещения процесса о наступлении какого-либо события. Степень воздействия на поведение процесса, получившего информацию, минимальна. Все зависит от того, знает ли он, что означает полученный сигнал, надо ли на него реагировать и каким образом. Неправильная реакция на сигнал или его игнорирование могут привести к трагическим последствиям. Вспомним профессора Плейшнера из кинофильма "Семнадцать мгновений весны". Сигнал тревоги – цветочный горшок на подоконнике – был ему передан, но профессор проигнорировал его. И к чему это привело?Канальные. "Общение" процессов происходит через линии связи, предоставленные операционной системой, и напоминает общение людей по телефону, с помощью записок, писем или объявлений. Объем передаваемой информации в единицу времени ограничен пропускной способностью линий связи. С увеличением количества информации возрастает и возможность влияния на поведение другого процесса.Разделяемая память. Два или более процессов могут совместно использовать некоторую область адресного пространства. Созданием разделяемой памяти занимается операционная система (если, конечно, ее об этом попросят). "Общение" процессов напоминает совместное проживание студентов в одной комнате общежития. Возможность обмена информацией максимальна, как, впрочем, и влияние на поведение другого процесса, но требует повышенной осторожности (если вы переложили на другое место вещи вашего соседа по комнате, а часть из них еще и выбросили). Использование разделяемой памяти для передачи/получения информации осуществляется с помощью средств обычных языков программирования, в то время как сигнальным и канальным средствам коммуникации для этого необходимы специальные системные вызовы. Разделяемая память представляет собой наиболее быстрый способ взаимодействия процессов в одной вычислительной системе.

Логическая организация механизма передачи информации

При рассмотрении любого из средств коммуникации нас будет интересовать не их физическая реализация (общая шина данных, прерывания, аппаратно разделяемая память и т. д.), а логическая, определяющая в конечном счете механизм их использования. Некоторые важные аспекты логической реализации являются общими для всех категорий средств связи, некоторые относятся к отдельным категориям. Давайте кратко охарактеризуем основные вопросы, требующие разъяснения при изучении того или иного способа обмена информацией.

Надежность средств связи

Одним из существенных вопросов при рассмотрении всех категорий средств связи является вопрос об их надежности. Мы все знаем, как бывает тяжело расслышать собеседника по вечно трещащему телефону или разобрать, о чем сообщается в телеграмме: "Прибду пыездом в вонедельник 33 июня в 25.34. Пама".

Мы будем называть способ коммуникации надежным, если при обмене данными выполняются четыре условия.

Не происходит потери информации.Не происходит повреждения информации.Не появляется лишней информации.Не нарушается порядок данных в процессе обмена.

Очевидно, что передача данных через разделяемую память является надежным способом связи. То, что мы сохранили в разделяемой памяти, будет считано другими процессами в первозданном виде, если, конечно, не произойдет сбоя в питании компьютера. Для других средств коммуникации, как видно из приведенных выше примеров, это не всегда верно.

Каким образом в вычислительных системах пытаются бороться с ненадежностью коммуникаций? Давайте рассмотрим возможные варианты на примере обмена данными через линию связи с помощью сообщений. Для обнаружения повреждения информации будем снабжать каждое передаваемое сообщение некоторой контрольной суммой, вычисленной по посланной информации. При приеме сообщения контрольную сумму будем вычислять заново и проверять ее соответствие пришедшему значению. Если данные не повреждены (контрольные суммы совпадают), то подтвердим правильность их получения. Если данные повреждены (контрольные суммы не совпадают), то сделаем вид, что сообщение к нам не поступило. Вместо контрольной суммы можно использовать специальное кодирование передаваемых данных с помощью кодов, исправляющих ошибки. Такое кодирование позволяет при числе искажений информации, не превышающем некоторого значения, восстановить первоначальные неискаженные данные. Если по прошествии некоторого интервала времени подтверждение правильности полученной информации не придет на передающий конец линии связи, будем считать информацию утерянной и пошлем ее повторно. Для того чтобы избежать двойного получения одной и той же информации, на приемном конце линии связи должен осуществляться соответствующий контроль. Для гарантии правильного порядка получения сообщений будем их нумеровать. При приеме сообщения с номером, не соответствующим ожидаемому, поступаем с ним как с утерянным и ждем сообщения с правильным номером.

Подобные действия могут быть возложены:

на операционную систему;на процессы, обменивающиеся данными;совместно на систему и процессы, разделяя их ответственность. Операционная система может обнаруживать ошибки при передаче данных и извещать об этом взаимодействующие процессы для принятия ими решения о дальнейшем поведении.

Нити исполнения

Рассмотренные выше аспекты логической реализации относятся к средствам связи, ориентированным на организацию взаимодействия различных процессов. Однако усилия, направленные на ускорение решения задач в рамках классических операционных систем, привели к появлению совершенно иных механизмов, к изменению самого понятия "процесс".

В свое время внедрение идеи мультипрограммирования позволило повысить пропускную способность компьютерных систем, т. е. уменьшить среднее время ожидания результатов работы процессов. Но любой отдельно взятый процесс в мультипрограммной системе никогда не может быть выполнен быстрее, чем при работе в однопрограммном режиме на том же вычислительном комплексе. Тем не менее, если алгоритм решения задачи обладает определенным внутренним параллелизмом, мы могли бы ускорить его работу, организовав взаимодействие нескольких процессов. Рассмотрим следующий пример. Пусть у нас есть следующая программа на псевдоязыке программирования:

Ввести массив a Ввести массив b Ввести массив c a = a + b c = a + c Вывести массив c

При выполнении такой программы в рамках одного процесса этот процесс четырежды будет блокироваться, ожидая окончания операций ввода-вывода. Но наш алгоритм обладает внутренним параллелизмом. Вычисление суммы массивов a + b можно было бы выполнять параллельно с ожиданием окончания операции ввода массива c.

Ввести массив a Ожидание окончания операции ввода Ввести массив b Ожидание окончания операции ввода Ввести массив с Ожидание окончания операции ввода a = a + b c = a + c Вывести массив с Ожидание окончания операции вывода

Такое совмещение операций по времени можно было бы реализовать, используя два взаимодействующих процесса. Для простоты будем полагать, что средством коммуникации между ними служит разделяемая память. Тогда наши процессы могут выглядеть следующим образом.

Процесс 1 Процесс 2

Ввести массив a Ожидание ввода Ожидание окончания массивов a и b операции ввода Ввести массив b Ожидание окончания операции ввода Ввести массив с Ожидание окончания a = a + b операции ввода c = a + c Вывести массив с Ожидание окончания операции вывода

Казалось бы, мы предложили конкретный способ ускорения решения задачи. Однако в действительности дело обстоит не так просто. Второй процесс должен быть создан, оба процесса должны сообщить операционной системе, что им необходима память, которую они могли бы разделить с другим процессом, и, наконец, нельзя забывать о переключении контекста. Поэтому реальное поведение процессов будет выглядеть примерно так.

Процесс 1 Процесс 2

Создать процесс 2 Переключение контекста Выделение общей памяти

Ожидание ввода a и b Переключение контекста Выделение общей памяти Ввести массив a Ожидание окончания операции ввода Ввести массив b Ожидание окончания операции ввода Ввести массив с Ожидание окончания операции ввода Переключение контекста a = a + b Переключение контекста c = a + c Вывести массив с Ожидание окончания операции вывода

Очевидно, что мы можем не только не выиграть во времени при решении задачи, но даже и проиграть, так как временные потери на создание процесса, выделение общей памяти и переключение контекста могут превысить выигрыш, полученный за счет совмещения операций.

Для того чтобы реализовать нашу идею, введем новую абстракцию внутри понятия "процесс" – нить исполнения или просто нить (в англоязычной литературе используется термин thread). Нити процесса разделяют его программный код, глобальные переменные и системные ресурсы, но каждая нить имеет собственный программный счетчик, свое содержимое регистров и свой стек. Теперь процесс представляется как совокупность взаимодействующих нитей и выделенных ему ресурсов. Процесс, содержащий всего одну нить исполнения, идентичен процессу в том смысле, который мы употребляли ранее. Для таких процессов мы в дальнейшем будем использовать термин "традиционный процесс". Иногда нити называют облегченными процессами или мини-процессами, так как во многих отношениях они подобны традиционным процессам. Нити, как и процессы, могут порождать нити-потомки, правда, только внутри своего процесса, и переходить из одного состояния в другое.


Состояния нитей аналогичны состояниям традиционных процессов. Из состояния рождение

процесс приходит содержащим всего одну нить исполнения. Другие нити процесса будут являться потомками этой нити-прародительницы. Мы можем считать, что процесс находится в состоянии готовность, если хотя бы одна из его нитей находится в состоянии готовность и ни одна из нитей не находится в состоянии исполнение. Мы можем считать, что процесс находится в состоянии исполнение, если одна из его нитей находится в состоянии исполнение. Процесс будет находиться в состоянии ожидание, если все его нити находятся в состоянии ожидание. Наконец, процесс находится в состоянии закончил исполнение, если все его нити находятся в состоянии закончила исполнение. Пока одна нить процесса заблокирована, другая нить того же процесса может выполняться. Нити разделяют процессор так же, как это делали традиционные процессы, в соответствии с рассмотренными алгоритмами планирования.

Поскольку нити одного процесса разделяют существенно больше ресурсов, чем различные процессы, то операции создания новой нити и переключения контекста между нитями одного процесса занимают значительно меньше времени, чем аналогичные операции для процессов в целом. Предложенная нами схема совмещения работы в терминах нитей одного процесса получает право на существование.

Нить 1 Нить 2

Создать нить 2 Переключение контекста нитей Ожидание ввода a и b Переключение контекста нитей Ввести массив a Ожидание окончания операции ввода Ввести массив b Ожидание окончания операции ввода Ввести массив с Ожидание окончания операции ввода Переключение контекста нитей a = a + b Переключение контекста нитей c = a + c Вывести массив с Ожидание окончания операции вывода

Различают операционные системы, поддерживающие нити на уровне ядра и на уровне библиотек. Все сказанное выше справедливо для операционных систем, поддерживающих нити на уровне ядра. В них планирование использования процессора происходит в терминах нитей, а управление памятью и другими системными ресурсами остается в терминах процессов.В операционных системах, поддерживающих нити на уровне библиотек пользователей, и планирование процессора, и управление системными ресурсами осуществляются в терминах процессов. Распределение использования процессора по нитям в рамках выделенного процессу временного интервала осуществляется средствами библиотеки. В подобных системах блокирование одной нити приводит к блокированию всего процесса, ибо ядро операционной системы не имеет представления о существовании нитей. По сути дела, в таких вычислительных системах просто имитируется наличие нитей исполнения.

Далее в этой части книги для простоты изложения мы будем использовать термин "процесс", хотя все сказанное будет относиться и к нитям исполнения.

Особенности передачи информации с помощью линий связи

Как уже говорилось выше, передача информации между процессами посредством линий связи является достаточно безопасной по сравнению с использованием разделяемой памяти и более информативной по сравнению с сигнальными средствами коммуникации. Кроме того, разделяемая память не может быть использована для связи процессов, функционирующих на различных вычислительных системах. Возможно, именно поэтому каналы связи из средств коммуникации процессов получили наибольшее распространение. Коснемся некоторых вопросов, связанных с логической реализацией канальных средств коммуникации.

Поток ввода/вывода и сообщения

Существует две модели передачи данных по каналам связи – поток ввода-вывода и сообщения. При передаче данных с помощью потоковой модели операции передачи/приема информации вообще не интересуются содержимым данных. Процесс, прочитавший 100 байт из линии связи, не знает и не может знать, были ли они переданы одновременно, т. е. одним куском или порциями по 20 байт, пришли они от одного процесса или от разных. Данные представляют собой простой поток байтов, без какой-либо их интерпретации со стороны системы. Примерами потоковых каналов связи могут служить pipe и FIFO, описанные ниже.

Одним из наиболее простых способов передачи информации между процессами по линиям связи является передача данных через pipe (канал, трубу или, как его еще называют в литературе, конвейер). Представим себе, что у нас есть некоторая труба в вычислительной системе, в один из концов которой процессы могут "сливать" информацию, а из другого конца принимать полученный поток. Такой способ реализует потоковую модель ввода/вывода. Информацией о расположении трубы в операционной системе обладает только процесс, создавший ее. Этой информацией он может поделиться исключительно со своими наследниками – процессами-детьми и их потомками. Поэтому использовать pipe для связи между собой могут только родственные процессы, имеющие общего предка, создавшего данный канал связи.

Если разрешить процессу, создавшему трубу, сообщать о ее местонахождении в системе другим процессам, сделав вход и выход трубы каким-либо образом видимыми для всех остальных, например, зарегистрировав ее в операционной системе под определенным именем, мы получим объект, который принято называть FIFO или именованный pipe. Именованный pipe может использоваться для организации связи между любыми процессами в системе.

В модели сообщений процессы налагают на передаваемые данные некоторую структуру. Весь поток информации они разделяют на отдельные сообщения, вводя между данными, по крайней мере, границы сообщений. Примером границ сообщений являются точки между предложениями в сплошном тексте или границы абзаца. Кроме того, к передаваемой информации могут быть присоединены указания на то, кем конкретное сообщение было послано и для кого оно предназначено. Примером указания отправителя могут служить подписи под эпиграфами в книге. Все сообщения могут иметь одинаковый фиксированный размер или могут быть переменной длины. В вычислительных системах используются разнообразные средства связи для передачи сообщений: очереди сообщений, sockets (гнезда) и т. д. Часть из них мы рассмотрим подробнее в дальнейшем, в частности очереди сообщений будут рассмотрены в лекции 6, а гнезда (иногда их еще называют по транслитерации английского названия – сокеты) в лекции 14.

И потоковые линии связи, и каналы сообщений всегда имеют буфер конечной длины. Когда мы будем говорить о емкости буфера для потоков данных, мы будем измерять ее в байтах. Когда мы будем говорить о емкости буфера для сообщений, мы будем измерять ее в сообщениях.

Взаимодействующие процессы

Для достижения поставленной цели различные процессы (возможно, даже принадлежащие разным пользователям) могут исполняться псевдопараллельно на одной вычислительной системе или параллельно на разных вычислительных системах, взаимодействуя между собой.

Для чего процессам нужно заниматься совместной деятельностью? Какие существуют причины для их кооперации?

Повышение скорости работы. Пока один процесс ожидает наступления некоторого события (например, окончания операции ввода-вывода), другие могут заниматься полезной работой, направленной на решение общей задачи. В многопроцессорных вычислительных системах программа разбивается на отдельные кусочки, каждый из которых будет исполняться на своем процессоре.Совместное использование данных. Различные процессы могут, к примеру, работать с одной и той же динамической базой данных или с разделяемым файлом, совместно изменяя их содержимое.Модульная конструкция какой-либо системы. Типичным примером может служить микроядерный способ построения операционной системы, когда различные ее части представляют собой отдельные процессы, взаимодействующие путем передачи сообщений через микроядро.Наконец, это может быть необходимо просто для удобства работы пользователя, желающего, например, редактировать и отлаживать программу одновременно. В этой ситуации процессы редактора и отладчика должны уметь взаимодействовать друг с другом.

Процессы не могут взаимодействовать, не общаясь, то есть не обмениваясь информацией. "Общение" процессов обычно приводит к изменению их поведения в зависимости от полученной информации. Если деятельность процессов остается неизменной при любой принятой ими информации, то это означает, что они на самом деле в "общении" не нуждаются. Процессы, которые влияют на поведение друг друга путем обмена информацией, принято называть кооперативными или взаимодействующими процессами, в отличие от независимых процессов, не оказывающих друг на друга никакого воздействия.

Различные процессы в вычислительной системе изначально представляют собой обособленные сущности. Работа одного процесса не должна приводить к нарушению работы другого процесса. Для этого, в частности, разделены их адресные пространства и системные ресурсы, и для обеспечения корректного взаимодействия процессов требуются специальные средства и действия операционной системы. Нельзя просто поместить значение, вычисленное в одном процессе, в область памяти, соответствующую переменной в другом процессе, не предприняв каких-либо дополнительных усилий. Давайте рассмотрим основные аспекты организации совместной работы процессов.

Для достижения поставленной цели различные процессы могут исполняться псевдопараллельно на одной вычислительной системе или параллельно на разных вычислительных системах, взаимодействуя между собой. Причинами для совместной деятельности процессов обычно являются: необходимость ускорения решения задачи, совместное использование обновляемых данных, удобство работы или модульный принцип построения программных комплексов. Процессы, которые влияют на поведение друг друга путем обмена информацией, называют кооперативными или взаимодействующими процессами, в отличие от независимых процессов, не оказывающих друг на друга никакого воздействия и ничего не знающих о взаимном существовании в вычислительной системе.
Для обеспечения корректного обмена информацией операционная система должна предоставить процессам специальные средства связи. По объему передаваемой информации и степени возможного воздействия на поведение процесса, получившего информацию, их можно разделить на три категории: сигнальные, канальные и разделяемую память. Через канальные средства коммуникации информация может передаваться в виде потока данных или в виде сообщений и накапливаться в буфере определенного размера. Для инициализации "общения" процессов и его прекращения могут потребоваться специальные действия со стороны операционной системы. Процессы, связываясь друг с другом, могут использовать непрямую, прямую симметричную и прямую асимметричную схемы адресации. Существуют одно- и двунаправленные средства передачи информации. Средства коммуникации обеспечивают надежную связь, если при общении процессов не происходит потери и повреждения информации, не появляется лишней информации, не нарушается порядок данных.
Усилия, направленные на ускорение решения задач в рамках классических операционных систем, привели к появлению новой абстракции внутри понятия "процесс" – нити исполнения или просто нити. Нити процесса разделяют его программный код, глобальные переменные и системные ресурсы, но каждая нить имеет собственный программный счетчик, свое содержимое регистров и свой стек. Теперь процесс представляется как совокупность взаимодействующих нитей и выделенных ему ресурсов. Нити могут порождать новые нити внутри своего процесса, они имеют состояния, аналогичные состояниям процесса, и могут переводиться операционной системой из одного состояния в другое. В системах, поддерживающих нити на уровне ядра, планирование использования процессора осуществляется в терминах нитей исполнения, а управление остальными системными ресурсами – в терминах процессов. Накладные расходы на создание новой нити и на переключение контекста между нитями одного процесса существенно меньше, чем на те же самые действия для процессов, что позволяет на однопроцессорной вычислительной системе ускорять решение задач с помощью организации работы нескольких взаимодействующих нитей.

Алгоритм булочной (Bakery algorithm)

Алгоритм Петерсона дает нам решение задачи корректной организации взаимодействия двух процессов. Давайте рассмотрим теперь соответствующий алгоритм для n взаимодействующих процессов, который получил название алгоритм булочной, хотя применительно к нашим условиям его следовало бы скорее назвать алгоритм регистратуры в поликлинике. Основная его идея выглядит так. Каждый вновь прибывающий клиент (он же процесс) получает талончик на обслуживание с номером. Клиент с наименьшим номером на талончике обслуживается следующим. К сожалению, из-за неатомарности операции вычисления следующего номера алгоритм булочной не гарантирует, что у всех процессов будут талончики с разными номерами. В случае равенства номеров на талончиках у двух или более клиентов первым обслуживается клиент с меньшим значением имени (имена можно сравнивать в лексикографическом порядке). Разделяемые структуры данных для алгоритма – это два массива

shared enum {false, true} choosing[n]; shared int number[n];

Изначально элементы этих массивов инициируются значениями false и 0 соответственно. Введем следующие обозначения

(a,b) < (c,d), если a < c или если a == c и b < d max(a0, a1, ...., an) – это число k такое, что k >= ai для всех i = 0, ...,n

Структура процесса Pi для алгоритма булочной приведена ниже

while (some condition) { choosing[i] = true; number[i] = max(number[0], ..., number[n-1]) + 1; choosing[i] = false; for(j = 0; j < n; j++){ while(choosing[j]); while(number[j] != 0 && (number[j],j) < (number[i],i)); } critical section number[i] = 0; remainder section }

Доказательство того, что этот алгоритм удовлетворяет условиям 1 – 5, выполните самостоятельно в качестве упражнения.

Алгоритм Петерсона

Первое решение проблемы, удовлетворяющее всем требованиям и использующее идеи ранее рассмотренных алгоритмов, было предложено датским математиком Деккером (Dekker). В 1981 году Петерсон (Peterson) предложил более изящное решение. Пусть оба процесса имеют доступ к массиву флагов готовности и к переменной очередности.

shared int ready[2] = {0, 0}; shared int turn; while (some condition) { ready[i] = 1; turn =1-i; while(ready[1-i] && turn == 1-i); critical section ready[i] = 0; remainder section }

При исполнении пролога критической секции процесс Pi заявляет о своей готовности выполнить критический участок и одновременно предлагает другому процессу приступить к его выполнению. Если оба процесса подошли к прологу практически одновременно, то они оба объявят о своей готовности и предложат выполняться друг другу. При этом одно из предложений всегда следует после другого. Тем самым работу в критическом участке продолжит процесс, которому было сделано последнее предложение.

Давайте докажем, что все пять наших требований к алгоритму действительно удовлетворяются.

Удовлетворение требований 1 и 2 очевидно.

Докажем выполнение условия взаимоисключения методом от противного. Пусть оба процесса одновременно оказались внутри своих критических секций. Заметим, что процесс Pi может войти в критическую секцию, только если ready[1-i] == 0 или turn == i. Заметим также, что если оба процесса выполняют свои критические секции одновременно, то значения флагов готовности для обоих процессов совпадают и равны 1. Могли ли оба процесса войти в критические секции из состояния, когда они оба одновременно находились в процессе выполнения цикла while? Нет, так как в этом случае переменная turn должна была бы одновременно иметь значения 0 и 1 (когда оба процесса выполняют цикл, значения переменных измениться не могут). Пусть процесс P0 первым вошел в критический участок, тогда процесс P1 должен был выполнить перед вхождением в цикл while по крайней мере один предваряющий оператор (turn = 0;).
Однако после этого он не может выйти из цикла до окончания критического участка процесса P0, так как при входе в цикл ready[0] == 1 и turn == 0, и эти значения не могут измениться до тех пор, пока процесс P0 не покинет свой критический участок. Мы пришли к противоречию. Следовательно, имеет место взаимоисключение.

Докажем выполнение условия прогресса. Возьмем, без ограничения общности, процесс P0. Заметим, что он не может войти в свою критическую секцию только при совместном выполнении условий ready[1] == 1 и turn == 1. Если процесс P1 не готов к выполнению критического участка, то ready[1] == 0, и процесс P0 может осуществить вход. Если процесс P1 готов к выполнению критического участка, то ready[1] == 1 и переменная turn имеет значение 0 либо 1, позволяя процессу P0 либо процессу P1 начать выполнение критической секции. Если процесс P1 завершил выполнение критического участка, то он сбросит свой флаг готовности ready[1] == 0, разрешая процессу P0 приступить к выполнению критической работы. Таким образом, условие прогресса выполняется.

Отсюда же вытекает выполнение условия ограниченного ожидания. Так как в процессе ожидания разрешения на вход процесс P0 не изменяет значения переменных, он сможет начать исполнение своего критического участка после не более чем одного прохода по критической секции процесса P1.

Аппаратная поддержка взаимоисключений

Наличие аппаратной поддержки взаимоисключений позволяет упростить алгоритмы и повысить их эффективность точно так же, как это происходит и в других областях программирования. Мы уже обращались к общепринятому hardware для решения задачи реализации взаимоисключений, когда говорили об использовании механизма запрета/разрешения прерываний.

Многие вычислительные системы помимо этого имеют специальные команды процессора, которые позволяют проверить и изменить значение машинного слова или поменять местами значения двух машинных слов в памяти, выполняя эти действия как атомарные операции. Давайте обсудим, как концепции таких команд могут использоваться для реализации взаимоисключений.

Флаги готовности

Недостаток предыдущего алгоритма заключается в том, что процессы ничего не знают о состоянии друг друга в текущий момент времени. Давайте попробуем исправить эту ситуацию. Пусть два наших процесса имеют разделяемый массив флагов готовности входа процессов в критический участок

shared int ready[2] = {0, 0};

Когда i-й процесс готов войти в критическую секцию, он присваивает элементу массива ready[i] значение равное 1. После выхода из критической секции он, естественно, сбрасывает это значение в 0. Процесс не входит в критическую секцию, если другой процесс уже готов к входу в критическую секцию или находится в ней.

while (some condition) { ready[i] = 1; while(ready[1-i]); critical section ready[i] = 0; remainder section }

Полученный алгоритм обеспечивает взаимоисключение, позволяет процессу, готовому к входу в критический участок, войти в него сразу после завершения эпилога в другом процессе, но все равно нарушает условие прогресса. Пусть процессы практически одновременно подошли к выполнению пролога. После выполнения присваивания ready[0]=1 планировщик передал процессор от процесса 0 процессу 1, который также выполнил присваивание ready[1]=1. После этого оба процесса бесконечно долго ждут друг друга на входе в критическую секцию. Возникает ситуация, которую принято называть тупиковой (deadlock). (Подробнее о тупиковых ситуациях рассказывается в лекции 7.)

Interleaving, race condition и взаимоисключения

Давайте временно отвлечемся от операционных систем, процессов и нитей исполнения и поговорим о некоторых "активностях". Под активностями мы будем понимать последовательное выполнение ряда действий, направленных на достижение определенной цели. Активности могут иметь место в программном и техническом обеспечении, в обычной деятельности людей и животных. Мы будем разбивать активности на некоторые неделимые, или атомарные, операции. Например, активность "приготовление бутерброда" можно разбить на следующие атомарные операции:

Отрезать ломтик хлеба.Отрезать ломтик колбасы.Намазать ломтик хлеба маслом.Положить ломтик колбасы на подготовленный ломтик хлеба.

Неделимые операции могут иметь внутренние невидимые действия (взять батон хлеба в левую руку, взять нож в правую руку, произвести отрезание). Мы же называем их неделимыми потому, что считаем выполняемыми за раз, без прерывания деятельности.

Пусть имеется две активности

P: a b c Q: d e f

где a, b, c, d, e, f – атомарные операции. При последовательном выполнении активностей мы получаем такую последовательность атомарных действий:

PQ: a b c d e f

Что произойдет при исполнении этих активностей псевдопараллельно, в режиме разделения времени? Активности могут расслоиться на неделимые операции с различным чередованием, то есть может произойти то, что на английском языке принято называть словом interleaving. Возможные варианты чередования:

а b c d e f a b d c e f a b d e c f a b d e f c a d b c e f ...... d e f a b c

Атомарные операции активностей могут чередоваться всевозможными различными способами с сохранением порядка расположения внутри активностей. Так как псевдопараллельное выполнение двух активностей приводит к чередованию их неделимых операций, результат псевдопараллельного выполнения может отличаться от результата последовательного выполнения. Рассмотрим пример. Пусть у нас имеется две активности P и Q, состоящие из двух атомарных операций каждая:

P: x=2 Q: x=3 y=x-1 y=x+1

Что мы получим в результате их псевдопараллельного выполнения, если переменные x и y являются для активностей общими? Очевидно, что возможны четыре разных набора значений для пары (x, y): (3, 4), (2, 1), (2, 3) и (3, 2). .
Мы будем говорить, что набор активностей (например, программ) детерминирован, если всякий раз при псевдопараллельном исполнении для одного и того же набора входных данных он дает одинаковые выходные данные. В противном случае он недетерминирован. Выше приведен пример недетерминированного набора программ. Понятно, что детерминированный набор активностей можно безбоязненно выполнять в режиме разделения времени. Для недетерминированного набора такое исполнение нежелательно.

Можно ли до получения результатов определить, является ли набор активностей детерминированным или нет? Для этого существуют достаточные условия Бернстайна. Изложим их применительно к программам с разделяемыми переменными.

Введем наборы входных и выходных переменных программы. Для каждой атомарной операции наборы входных и выходных переменных – это наборы переменных, которые атомарная операция считывает и записывает. Набор входных переменных программы R(P) (R от слова read) суть объединение наборов входных переменных для всех ее неделимых действий. Аналогично, набор выходных переменных программы W(P) (W от слова write) суть объединение наборов выходных переменных для всех ее неделимых действий. Например, для программы

P: x=u+v y=x*w

получаем R(P) = {u, v, x, w}, W(P) = {x, y}. Заметим, что переменная x присутствует как в R(P), так и в W(P).

Теперь сформулируем условия Бернстайна.

Если для двух данных активностей P и Q:

пересечение W(P) и W(Q) пусто,пересечение W(P) с R(Q) пусто, пересечение R(P) и W(Q) пусто,

тогда выполнение P и Q детерминировано.

Если эти условия не соблюдены, возможно, параллельное выполнение P и Q детерминировано, а может быть, и нет.

Случай двух активностей естественным образом обобщается на их большее количество.

Условия Бернстайна информативны, но слишком жестки. По сути дела, они требуют практически невзаимодействующих процессов. А нам хотелось бы, чтобы детерминированный набор образовывали активности, совместно использующие информацию и обменивающиеся ею. Для этого нам необходимо ограничить число возможных чередований атомарных операций, исключив некоторые чередования с помощью механизмов синхронизации выполнения программ, обеспечив тем самым упорядоченный доступ программ к некоторым данным.

Про недетерминированный набор программ (и активностей вообще) говорят, что он имеет race condition (состояние гонки , состояние состязания). В приведенном выше примере процессы состязаются за вычисление значений переменных x и y.

Задачу упорядоченного доступа к разделяемым данным (устранение race condition) в том случае, когда нам не важна его очередность, можно решить, если обеспечить каждому процессу эксклюзивное право доступа к этим данным. Каждый процесс, обращающийся к разделяемым ресурсам, исключает для всех других процессов возможность одновременного общения с этими ресурсами, если это может привести к недетерминированному поведению набора процессов. Такой прием называется взаимоисключением (mutual exclusion). Если очередность доступа к разделяемым ресурсам важна для получения правильных результатов, то одними взаимоисключениями уже не обойтись, нужна взаимосинхронизация поведения программ.



Мы будем говорить, что набор активностей (например, программ) детерминирован, если всякий раз при псевдопараллельном исполнении для одного и того же набора входных данных он дает одинаковые выходные данные. В противном случае он недетерминирован. Выше приведен пример недетерминированного набора программ. Понятно, что детерминированный набор активностей можно безбоязненно выполнять в режиме разделения времени. Для недетерминированного набора такое исполнение нежелательно.

Можно ли до получения результатов определить, является ли набор активностей детерминированным или нет? Для этого существуют достаточные условия Бернстайна. Изложим их применительно к программам с разделяемыми переменными.

Введем наборы входных и выходных переменных программы. Для каждой атомарной операции наборы входных и выходных переменных – это наборы переменных, которые атомарная операция считывает и записывает. Набор входных переменных программы R(P) (R от слова read) суть объединение наборов входных переменных для всех ее неделимых действий. Аналогично, набор выходных переменных программы W(P) (W от слова write) суть объединение наборов выходных переменных для всех ее неделимых действий. Например, для программы

P: x=u+v y=x*w

получаем R(P) = {u, v, x, w}, W(P) = {x, y}. Заметим, что переменная x присутствует как в R(P), так и в W(P).

Теперь сформулируем условия Бернстайна.

Если для двух данных активностей P и Q:

пересечение W(P) и W(Q) пусто,пересечение W(P) с R(Q) пусто, пересечение R(P) и W(Q) пусто,

тогда выполнение P и Q детерминировано.

Если эти условия не соблюдены, возможно, параллельное выполнение P и Q детерминировано, а может быть, и нет.

Случай двух активностей естественным образом обобщается на их большее количество.

Условия Бернстайна информативны, но слишком жестки. По сути дела, они требуют практически невзаимодействующих процессов. А нам хотелось бы, чтобы детерминированный набор образовывали активности, совместно использующие информацию и обменивающиеся ею. Для этого нам необходимо ограничить число возможных чередований атомарных операций, исключив некоторые чередования с помощью механизмов синхронизации выполнения программ, обеспечив тем самым упорядоченный доступ программ к некоторым данным.

Про недетерминированный набор программ (и активностей вообще) говорят, что он имеет race condition (состояние гонки , состояние состязания). В приведенном выше примере процессы состязаются за вычисление значений переменных x и y.

Задачу упорядоченного доступа к разделяемым данным (устранение race condition) в том случае, когда нам не важна его очередность, можно решить, если обеспечить каждому процессу эксклюзивное право доступа к этим данным. Каждый процесс, обращающийся к разделяемым ресурсам, исключает для всех других процессов возможность одновременного общения с этими ресурсами, если это может привести к недетерминированному поведению набора процессов. Такой прием называется взаимоисключением (mutual exclusion). Если очередность доступа к разделяемым ресурсам важна для получения правильных результатов, то одними взаимоисключениями уже не обойтись, нужна взаимосинхронизация поведения программ.

Команда Swap (обменять значения)

Выполнение команды Swap, обменивающей два значения, находящихся в памяти, можно проиллюстрировать следующей функцией:

void Swap (int *a, int *b){ int tmp = *a; *a = *b; *b = tmp; }

Применяя атомарную команду Swap, мы можем реализовать предыдущий алгоритм, введя дополнительную логическую переменную key, локальную для каждого процесса:

shared int lock = 0; int key;

while (some condition) { key = 1; do Swap(&lock,&key); while (key); critical section lock = 0; remainder section }

Команда Test-and-Set (проверить и присвоить 1)

О выполнении команды Test-and-Set, осуществляющей проверку значения логической переменной с одновременной установкой ее значения в 1, можно думать как о выполнении функции

int Test_and_Set (int *target){ int tmp = *target; *target = 1; return tmp; }

С использованием этой атомарной команды мы можем модифицировать наш алгоритм для переменной-замка, так чтобы он обеспечивал взаимоисключения

shared int lock = 0;

while (some condition) { while(Test_and_Set(&lock)); critical section lock = 0; remainder section }

К сожалению, даже в таком виде полученный алгоритм не удовлетворяет условию ограниченного ожидания для алгоритмов. Подумайте, как его следует изменить для соблюдения всех условий.

Критическая секция

Важным понятием при изучении способов синхронизации процессов является понятие критической секции (critical section) программы. Критическая секция – это часть программы, исполнение которой может привести к возникновению race condition для определенного набора программ. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо организовать работу так, чтобы в каждый момент времени только один процесс мог находиться в своей критической секции, связанной с этим ресурсом. Иными словами, необходимо обеспечить реализацию взаимоисключения для критических секций программ. Реализация взаимоисключения для критических секций программ с практической точки зрения означает, что по отношению к другим процессам, участвующим во взаимодействии, критическая секция начинает выполняться как атомарная операция. Давайте рассмотрим следующий пример, в котором псевдопараллельные взаимодействующие процессы представлены действиями различных студентов (таблица 5.1):

Здесь критический участок для каждого процесса – от операции "Обнаруживает, что хлеба нет" до операции "Возвращается в комнату" включительно. В результате отсутствия взаимоисключения мы из ситуации "Нет хлеба" попадаем в ситуацию "Слишком много хлеба". Если бы этот критический участок выполнялся как атомарная операция – "Достает два батона хлеба", то проблема образования излишков была бы снята.

Таблица 5.1.

ВремяСтудент 1Студент 2Студент 3

17-05	Приходит в комнату
17-07	Обнаруживает,что хлеба нет
17-09	Уходит в магазин
17-11		Приходит в комнату
17-13		Обнаруживает, что хлеба нет
17-15		Уходит в магазин
17-17			Приходит в комнату
17-19			Обнаруживает,что хлеба нет
17-21			Уходит в магазин
17-23	Приходит в магазин
17-25	Покупает 2 батона на всех
17-27	Уходит из магазина
17-29		Приходит в магазин
17-31		Покупает 2 батона на всех
17-33		Уходит из магазина
17-35			Приходит в магазин
17-37			Покупает 2 батона на всех
17-39			Уходит из магазина
17-41	Возвращается в комнату
17-43
17-45
17-47		Возвращается в комнату
17-49
17-51
17-53			Возвращается в комнату

Сделать процесс добывания хлеба атомарной операцией можно было бы следующим образом: перед началом этого процесса закрыть дверь изнутри на засов и уходить добывать хлеб через окно, а по окончании процесса вернуться в комнату через окно и отодвинуть засов. Тогда пока один студент добывает хлеб, все остальные находятся в состоянии ожидания под дверью (таблица 5.2).

Таблица 5.2. ВремяСтудент 1Студент 2Студент 3

17-05	Приходит в комнату
17-07	Достает два батона хлеба
17-43		Приходит в комнату
17-47			Приходит в комнату

Итак, для решения задачи необходимо, чтобы в том случае, когда процесс находится в своем критическом участке, другие процессы не могли войти в свои критические участки. Мы видим, что критический участок должен сопровождаться прологом (entry section) – "закрыть дверь изнутри на засов" – и эпилогом (exit section) – "отодвинуть засов", которые не имеют отношения к активности одиночного процесса. Во время выполнения пролога процесс должен, в частности, получить разрешение на вход в критический участок, а во время выполнения эпилога – сообщить другим процессам, что он покинул критическую секцию.

В общем случае структура процесса, участвующего во взаимодействии, может быть представлена следующим образом:

while (some condition) { entry section critical section exit section remainder section }

Здесь под remainder section понимаются все атомарные операции, не входящие в критическую секцию.

Оставшаяся часть этой лекции посвящена различным способам программной организации пролога и эпилога критического участка в случае, когда очередность доступа к критическому участку не имеет значения.

Переменная-замок

В качестве следующей попытки решения задачи для пользовательских процессов рассмотрим другое предложение. Возьмем некоторую переменную, доступную всем процессам, с начальным значением равным 0. Процесс может войти в критическую секцию только тогда, когда значение этой переменной-замка равно 0, одновременно изменяя ее значение на 1 – закрывая замок. При выходе из критической секции процесс сбрасывает ее значение в 0 – замок открывается (как в случае с покупкой хлеба студентами в разделе "Критическая секция").

shared int lock = 0; /* shared означает, что */ /* переменная является разделяемой */

while (some condition) { while(lock); lock = 1; critical section lock = 0; remainder section }

К сожалению, при внимательном рассмотрении мы видим, что такое решение не удовлетворяет условию взаимоисключения, так как действие while(lock); lock = 1; не является атомарным. Допустим, процесс P0 протестировал значение переменной lock и принял решение двигаться дальше. В этот момент, еще до присвоения переменной lock значения 1, планировщик передал управление процессу P1. Он тоже изучает содержимое переменной lock и тоже принимает решение войти в критический участок. Мы получаем два процесса, одновременно выполняющих свои критические секции.

Строгое чередование

Попробуем решить задачу сначала для двух процессов. Очередной подход будет также использовать общую для них обоих переменную с начальным значением 0. Только теперь она будет играть не роль замка для критического участка, а явно указывать, кто может следующим войти в него. Для i-го процесса это выглядит так:

shared int turn = 0;

while (some condition) { while(turn != i); critical section turn = 1-i; remainder section }

Очевидно, что взаимоисключение гарантируется, процессы входят в критическую секцию строго по очереди: P0, P1, P0, P1, P0, ... Но наш алгоритм не удовлетворяет условию прогресса. Например, если значение turn равно 1, и процесс P0 готов войти в критический участок, он не может сделать этого, даже если процесс P1 находится в remainder section.

Требования, предъявляемые к алгоритмам

Организация взаимоисключения для критических участков, конечно, позволит избежать возникновения race condition, но не является достаточной для правильной и эффективной параллельной работы кооперативных процессов. Сформулируем пять условий, которые должны выполняться для хорошего программного алгоритма организации взаимодействия процессов, имеющих критические участки, если они могут проходить их в произвольном порядке.

Задача должна быть решена чисто программным способом на обычной машине, не имеющей специальных команд взаимоисключения. При этом предполагается, что основные инструкции языка программирования (такие примитивные инструкции, как load, store, test) являются атомарными операциями.Не должно существовать никаких предположений об относительных скоростях выполняющихся процессов или числе процессоров, на которых они исполняются.Если процесс Pi исполняется в своем критическом участке, то не существует никаких других процессов, которые исполняются в соответствующих критических секциях. Это условие получило название условия взаимоисключения (mutual exclusion). Процессы, которые находятся вне своих критических участков и не собираются входить в них, не могут препятствовать другим процессам входить в их собственные критические участки. Если нет процессов в критических секциях и имеются процессы, желающие войти в них, то только те процессы, которые не исполняются в remainder section, должны принимать решение о том, какой процесс войдет в свою критическую секцию. Такое решение не должно приниматься бесконечно долго. Это условие получило название условия прогресса (progress). Не должно возникать неограниченно долгого ожидания для входа одного из процессов в свой критический участок. От того момента, когда процесс запросил разрешение на вход в критическую секцию, и до того момента, когда он это разрешение получил, другие процессы могут пройти через свои критические участки лишь ограниченное число раз. Это условие получило название условия ограниченного ожидания (bound waiting).

Надо заметить, что описание соответствующего алгоритма в нашем случае означает описание способа организации пролога и эпилога для критической секции.

Последовательное выполнение некоторых действий, направленных на достижение определенной цели, называется активностью. Активности состоят из атомарных операций, выполняемых неразрывно, как единичное целое. При исполнении нескольких активностей в псевдопараллельном режиме атомарные операции различных активностей могут перемешиваться между собой с соблюдением порядка следования внутри активностей. Это явление получило название interleaving (чередование). Если результаты выполнения нескольких активностей не зависят от варианта чередования, то такой набор активностей называется детерминированным. В противном случае он носит название недетерминированного. Существует достаточное условие Бернстайна для определения детерминированности набора активностей, но оно накладывает очень жесткие ограничения на набор, требуя практически не взаимодействующих активностей. Про недетерминированный набор активностей говорят, что он имеет race condition (условие гонки, состязания). Устранение race condition возможно при ограничении допустимых вариантов чередований атомарных операций с помощью синхронизации поведения активностей. Участки активностей, выполнение которых может привести к race condition, называют критическими участками. Необходимым условием для устранения race condition является организация взаимоисключения на критических участках: внутри соответствующих критических участков не может одновременно находиться более одной активности.
Для эффективных программных алгоритмов устранения race condition помимо условия взаимоисключения требуется выполнение следующих условий: алгоритмы не используют специальных команд процессора для организации взаимоисключений, алгоритмы ничего не знают о скоростях выполнения процессов, алгоритмы удовлетворяют условиям прогресса и ограниченного ожидания. Все эти условия выполняются в алгоритме Петерсона для двух процессов и алгоритме булочной – для нескольких процессов.
Применение специальных команд процессора, выполняющих ряд действий как атомарную операцию, – Test-and-Set, Swap – позволяет существенно упростить алгоритмы синхронизации процессов.

Запрет прерываний

Наиболее простым решением поставленной задачи является следующая организация пролога и эпилога:

while (some condition) { запретить все прерывания critical section разрешить все прерывания remainder section }

Поскольку выход процесса из состояния исполнение без его завершения осуществляется по прерыванию, внутри критической секции никто не может вмешаться в его работу. Однако такое решение может иметь далеко идущие последствия, поскольку позволяет процессу пользователя разрешать и запрещать прерывания во всей вычислительной системе. Допустим, что пользователь случайно или по злому умыслу запретил прерывания в системе и зациклил или завершил свой процесс. Без перезагрузки системы в такой ситуации не обойтись.

Тем не менее запрет и разрешение прерываний часто применяются как пролог и эпилог к критическим секциям внутри самой операционной системы, например при обновлении содержимого PCB.

Эквивалентность семафоров, мониторов и сообщений

Мы рассмотрели три высокоуровневых механизма, использующихся для организации взаимодействия процессов. Можно показать, что в рамках одной вычислительной системы, когда процессы имеют возможность использовать разделяемую память, все они эквивалентны. Это означает, что любые два из предложенных механизмов могут быть реализованы на базе третьего, оставшегося механизма.

Концепция семафоров

Семафор представляет собой целую переменную, принимающую неотрицательные значения, доступ любого процесса к которой, за исключением момента ее инициализации, может осуществляться только через две атомарные операции: P (от датского слова proberen – проверять) и V (от verhogen – увеличивать). Классическое определение этих операций выглядит следующим образом:

P(S): пока S == 0 процесс блокируется; S = S – 1; V(S): S = S + 1;

Эта запись означает следующее: при выполнении операции P над семафором S сначала проверяется его значение. Если оно больше 0, то из S вычитается 1. Если оно меньше или равно 0, то процесс блокируется до тех пор, пока S не станет больше 0, после чего из S вычитается 1. При выполнении операции V над семафором S к его значению просто прибавляется 1. В момент создания семафор может быть инициализирован любым неотрицательным значением.

Подобные переменные-семафоры могут с успехом применяться для решения различных задач организации взаимодействия процессов. В ряде языков программирования они были непосредственно введены в синтаксис языка (например, в ALGOL-68), в других случаях реализуются с помощью специальных системных вызовов. Соответствующая целая переменная располагается внутри адресного пространства ядра операционной системы. Операционная система обеспечивает атомарность операций P и V, используя, например, метод запрета прерываний на время выполнения соответствующих системных вызовов. Если при выполнении операции P заблокированными оказались несколько процессов, то порядок их разблокирования может быть произвольным, например, FIFO.

Мониторы

Хотя решение задачи producer-consumer с помощью семафоров выглядит достаточно изящно, программирование с их использованием требует повышенной осторожности и внимания, чем отчасти напоминает программирование на языке Ассемблера. Допустим, что в рассмотренном примере мы случайно поменяли местами операции P, сначала выполнив операцию для семафора mutex, а уже затем для семафоров full и empty. Допустим теперь, что потребитель, войдя в свой критический участок (mutex сброшен), обнаруживает, что буфер пуст. Он блокируется и начинает ждать появления сообщений. Но производитель не может войти в критический участок для передачи информации, так как тот заблокирован потребителем. Получаем тупиковую ситуацию.

В сложных программах произвести анализ правильности использования семафоров с карандашом в руках становится очень непросто. В то же время обычные способы отладки программ зачастую не дают результата, поскольку возникновение ошибок зависит от interleaving атомарных операций, и ошибки могут быть трудновоспроизводимы. Для того чтобы облегчить работу программистов, в 1974 году Хором (Hoare) был предложен механизм еще более высокого уровня, чем семафоры, получивший название мониторов. Мы с вами рассмотрим конструкцию, несколько отличающуюся от оригинальной.

Мониторы представляют собой тип данных, который может быть с успехом внедрен в объектно-ориентированные языки программирования. Монитор обладает собственными переменными, определяющими его состояние. Значения этих переменных извне могут быть изменены только с помощью вызова функций-методов, принадлежащих монитору. В свою очередь, эти функции-методы могут использовать в работе только данные, находящиеся внутри монитора, и свои параметры. На абстрактном уровне можно описать структуру монитора следующим образом:

monitor monitor_name { описание внутренних переменных ;

void m1(...){... } void m2(...){... } ... void mn(...){... }

{ блок инициализации внутренних переменных; } }

Здесь функции m1,..., mn представляют собой функции-методы монитора, а блок инициализации внутренних переменных содержит операции, которые выполняются один и только один раз: при создании монитора или при самом первом вызове какой-либо функции-метода до ее исполнения.

Важной особенностью мониторов является то, что в любой момент времени только один процесс может быть активен, т. е. находиться в состоянии готовность или исполнение, внутри данного монитора. Поскольку мониторы представляют собой особые конструкции языка программирования, компилятор может отличить вызов функции, принадлежащей монитору, от вызовов других функций и обработать его специальным образом, добавив к нему пролог и эпилог, реализующий взаимоисключение. Так как обязанность конструирования механизма взаимоисключений возложена на компилятор, а не на программиста, работа программиста при использовании мониторов существенно упрощается, а вероятность возникновения ошибок становится меньше.

Однако одних только взаимоисключений недостаточно для того, чтобы в полном объеме реализовать решение задач, возникающих при взаимодействии процессов. Нам нужны еще и средства организации очередности процессов, подобно семафорам full и empty в предыдущем примере. Для этого в мониторах было введено понятие условных переменных (condition variables)1), над которыми можно совершать две операции wait и signal, отчасти похожие на операции P и V над семафорами.

Если функция монитора не может выполняться дальше, пока не наступит некоторое событие, она выполняет операцию wait над какой-либо условной переменной. При этом процесс, выполнивший операцию wait, блокируется, становится неактивным, и другой процесс получает возможность войти в монитор.

Когда ожидаемое событие происходит, другой процесс внутри функции-метода совершает операцию signal над той же самой условной переменной. Это приводит к пробуждению ранее заблокированного процесса, и он становится активным. Если несколько процессов дожидались операции signal для этой переменной, то активным становится только один из них. Что можно предпринять для того, чтобы у нас не оказалось двух процессов, разбудившего и пробужденного, одновременно активных внутри монитора? Хор предложил, чтобы пробужденный процесс подавлял исполнение разбудившего процесса, пока он сам не покинет монитор.


Несколько позже Хансен (Hansen) предложил другой механизм: разбудивший процесс покидает монитор немедленно после исполнения операции signal. Мы будем придерживаться подхода Хансена.

Необходимо отметить, что условные переменные, в отличие от семафоров Дейкстры, не умеют запоминать предысторию. Это означает, что операция signal всегда должна выполняться после операции wait. Если операция signal выполняется над условной переменной, с которой не связано ни одного заблокированного процесса, то информация о произошедшем событии будет утеряна. Следовательно, выполнение операции wait всегда будет приводить к блокированию процесса.

Давайте применим концепцию мониторов к решению задачи производитель-потребитель.

monitor ProducerConsumer { condition full, empty; int count; void put() { if(count == N) full.wait; put_item; count += 1; if(count == 1) empty.signal; } void get() { if (count == 0) empty.wait; get_item(); count -= 1; if(count == N-1) full.signal; } { count = 0; } }

Producer: while(1) { produce_item; ProducerConsumer.put(); } Consumer: while(1) { ProducerConsumer.get(); consume_item; }

Легко убедиться, что приведенный пример действительно решает поставленную задачу.

Реализация мониторов требует разработки специальных языков программирования и компиляторов для них. Мониторы встречаются в таких языках, как параллельный Евклид, параллельный Паскаль, Java и т. д. Эмуляция мониторов с помощью системных вызовов для обычных широко используемых языков программирования не так проста, как эмуляция семафоров. Поэтому можно пользоваться еще одним механизмом со скрытыми взаимоисключениями, механизмом, о котором мы уже упоминали, – передачей сообщений.

Реализация мониторов и передачи сообщений с помощью семафоров

Рассмотрим сначала, как реализовать мониторы с помощью семафоров. Для этого нам нужно уметь реализовывать взаимоисключения при входе в монитор и условные переменные. Возьмем семафор mutex с начальным значением 1 для реализации взаимоисключения при входе в монитор и по одному семафору ci для каждой условной переменной. Кроме того, для каждой условной переменной заведем счетчик fi для индикации наличия ожидающих процессов. Когда процесс входит в монитор, компилятор будет генерировать вызов функции monitor_enter, которая выполняет операцию P над семафором mutex для данного монитора. При нормальном выходе из монитора (то есть при выходе без вызова операции signal для условной переменной) компилятор будет генерировать вызов функции monitor_exit, которая выполняет операцию V над этим семафором.

Для выполнения операции wait над условной переменной компилятор будет генерировать вызов функции wait, которая выполняет операцию V для семафора mutex, разрешая другим процессам входить в монитор, и выполняет операцию P над соответствующим семафором ci, блокируя вызвавший процесс. Для выполнения операции signal над условной переменной компилятор будет генерировать вызов функции signal_exit, которая выполняет операцию V над ассоциированным семафором ci (если есть процессы, ожидающие соответствующего события), и выход из монитора, минуя функцию monitor_exit.

Semaphore mutex = 1;

void monitor_enter(){ P(mutex); }

void monitor_exit(){ V(mutex); }

Semaphore ci = 0; int fi = 0;

void wait(i){ fi=fi + 1; V(mutex); P(ci); fi=fi - 1; }

void signal_exit(i){ if (fi)V(ci); else V(mutex); }

Заметим, что при выполнении функции signal_exit, если кто-либо ожидал этого события, процесс покидает монитор без увеличения значения семафора mutex, не разрешая тем самым всем процессам, кроме разбуженного, войти в монитор. Это увеличение совершит разбуженный процесс, когда покинет монитор обычным способом или когда выполнит новую операцию wait над какой-либо условной переменной.

Рассмотрим теперь, как реализовать передачу сообщений, используя семафоры.
Для простоты опишем реализацию только одной очереди сообщений. Выделим в разделяемой памяти достаточно большую область под хранение сообщений, там же будем записывать, сколько пустых и заполненных ячеек находится в буфере, хранить ссылки на списки процессов, ожидающих чтения и памяти. Взаимоисключение при работе с разделяемой памятью будем обеспечивать семафором mutex. Также заведем по одному семафору ci на взаимодействующий процесс, для того чтобы обеспечивать блокирование процесса при попытке чтения из пустого буфера или при попытке записи в переполненный буфер. Посмотрим, как такой механизм будет работать. Начнем с процесса, желающего получить сообщение.

Процесс-получатель с номером i прежде всего выполняет операцию P(mutex), получая в монопольное владение разделяемую память. После чего он проверяет, есть ли в буфере сообщения. Если нет, то он заносит себя в список процессов, ожидающих сообщения, выполняет V(mutex) и P(ci). Если сообщение в буфере есть, то он читает его, изменяет счетчики буфера и проверяет, есть ли процессы в списке процессов, жаждущих записи. Если таких процессов нет, то выполняется V(mutex), и процесс-получатель выходит из критической области. Если такой процесс есть (с номером j), то он удаляется из этого списка, выполняется V для его семафора cj, и мы выходим из критического района. Проснувшийся процесс начинает выполняться в критическом районе, так как mutex у нас имеет значение 0 и никто более не может попасть в критический район. При выходе из критического района именно разбуженный процесс произведет вызов V(mutex).

Как строится работа процесса-отправителя с номером i? Процесс, посылающий сообщение, тоже ждет, пока он не сможет иметь монополию на использование разделяемой памяти, выполнив операцию P(mutex). Далее он проверяет, есть ли место в буфере, и если да, то помещает сообщение в буфер, изменяет счетчики и смотрит, есть ли процессы, ожидающие сообщения. Если нет, выполняет V(mutex) и выходит из критической области, если есть, "будит" один из них (с номером j), вызывая V(cj), с одновременным удалением этого процесса из списка процессов, ожидающих сообщений, и выходит из критического региона без вызова V(mutex), предоставляя тем самым возможность разбуженному процессу прочитать сообщение.Если места в буфере нет, то процесс-отправитель заносит себя в очередь процессов, ожидающих возможности записи, и вызывает V(mutex) и P(ci).

Реализация семафоров и мониторов с помощью очередей сообщений

Покажем, наконец, как реализовать семафоры с помощью очередей сообщений. Для этого воспользуемся более хитрой конструкцией, введя новый синхронизирующий процесс. Этот процесс имеет счетчик и очередь для процессов, ожидающих включения семафора. Для того чтобы выполнить операции P и V, процессы посылают синхронизирующему процессу сообщения, в которых указывают свои потребности, после чего ожидают получения подтверждения от синхронизирующего процесса.

После получения сообщения синхронизирующий процесс проверяет значение счетчика, чтобы выяснить, можно ли совершить требуемую операцию. Операция V всегда может быть выполнена, в то время как операция P может потребовать блокирования процесса. Если операция может быть совершена, то она выполняется, и синхронизирующий процесс посылает подтверждающее сообщение. Если процесс должен быть блокирован, то его идентификатор заносится в очередь блокированных процессов, и подтверждение не посылается. Позднее, когда какой-либо из других процессов выполнит операцию V, один из блокированных процессов удаляется из очереди ожидания и получает соответствующее подтверждение.

Поскольку мы показали ранее, как из семафоров построить мониторы, мы доказали эквивалентность мониторов, семафоров и сообщений.

Реализация семафоров и передачи сообщений с помощью мониторов

Нам достаточно показать, что с помощью мониторов можно реализовать семафоры, так как получать из семафоров сообщения мы уже умеем.

Самый простой способ такой реализации выглядит следующим образом. Заведем внутри монитора переменную-счетчик, связанный с эмулируемым семафором список блокируемых процессов и по одной условной переменной на каждый процесс. При выполнении операции P над семафором вызывающий процесс проверяет значение счетчика. Если оно больше нуля, уменьшает его на 1 и выходит из монитора. Если оно равно 0, процесс добавляет себя в очередь процессов, ожидающих события, и выполняет операцию wait над своей условной переменной. При выполнении операции V над семафором процесс увеличивает значение счетчика, проверяет, есть ли процессы, ожидающие этого события, и если есть, удаляет один из них из списка и выполняет операцию signal для условной переменной, соответствующей процессу.

Решение проблемы producer-consumer с помощью семафоров

Одной из типовых задач, требующих организации взаимодействия процессов, является задача producer-consumer (производитель-потребитель). Пусть два процесса обмениваются информацией через буфер ограниченного размера. Производитель закладывает информацию в буфер, а потребитель извлекает ее оттуда. На этом уровне деятельность потребителя и производителя можно описать следующим образом.

Producer: while(1) { produce_item; put_item; } Consumer: while(1) { get_item; consume_item; }

Если буфер заполнен, то производитель должен ждать, пока в нем появится место, чтобы положить туда новую порцию информации. Если буфер пуст, то потребитель должен дожидаться нового сообщения. Как можно реализовать эти условия с помощью семафоров? Возьмем три семафора: empty, full и mutex. Семафор full будем использовать для гарантии того, что потребитель будет ждать, пока в буфере появится информация. Семафор empty будем использовать для организации ожидания производителя при заполненном буфере, а семафор mutex – для организации взаимоисключения на критических участках, которыми являются действия put_item и get_item (операции "положить информацию" и "взять информацию" не могут пересекаться, так как в этом случае возникнет опасность искажения информации). Тогда решение задачи на C-подобном языке выглядит так:

Semaphore mutex = 1; Semaphore empty = N; /* где N – емкость буфера*/ Semaphore full = 0; Producer: while(1) { produce_item; P(empty); P(mutex); put_item; V(mutex); V(full); } Consumer: while(1) { P(full); P(mutex); get_item; V(mutex); V(empty); consume_item; }

Легко убедиться, что это действительно корректное решение поставленной задачи. Попутно заметим, что семафоры использовались здесь для достижения двух целей: организации взаимоисключения на критическом участке и взаимосинхронизации скорости работы процессов.

Семафоры

Одним из первых механизмов, предложенных для синхронизации поведения процессов, стали семафоры, концепцию которых описал Дейкстра (Dijkstra) в 1965 году.

Сообщения

Для прямой и непрямой адресации достаточно двух примитивов, чтобы описать передачу сообщений по линии связи – send и receive. В случае прямой адресации мы будем обозначать их так:

send(P, message) – послать сообщение message процессу P;

receive(Q, message) – получить сообщение message от процесса Q.

В случае непрямой адресации мы будем обозначать их так:

send(A, message) – послать сообщение message в почтовый ящик A;

receive(A, message) – получить сообщение message из почтового ящика A.

Примитивы send и receive уже имеют скрытый от наших глаз механизм взаимоисключения. Более того, в большинстве систем они уже имеют и скрытый механизм блокировки при чтении из пустого буфера и при записи в полностью заполненный буфер. Реализация решения задачи producer-consumer для таких примитивов становится неприлично тривиальной. Надо отметить, что, несмотря на простоту использования, передача сообщений в пределах одного компьютера происходит существенно медленнее, чем работа с семафорами и мониторами.

Для организации синхронизации процессов могут

Для организации синхронизации процессов могут применяться специальные механизмы высокого уровня, блокирующие процесс, ожидающий входа в критическую секцию или наступления своей очереди для использования совместного ресурса. К таким механизмам относятся, например, семафоры, мониторы и сообщения. Все эти конструкции являются эквивалентными, т. е., используя любую из них, можно реализовать две оставшиеся.

Hарушение условия кругового ожидания

Трудно предложить разумную стратегию, чтобы избежать последнего условия из раздела "Условия возникновения тупиков" – циклического ожидания.

Один из способов – упорядочить ресурсы. Например, можно присвоить всем ресурсам уникальные номера и потребовать, чтобы процессы запрашивали ресурсы в порядке их возрастания. Тогда круговое ожидание возникнуть не может. После последнего запроса и освобождения всех ресурсов можно разрешить процессу опять осуществить первый запрос. Очевидно, что практически невозможно найти порядок, который удовлетворит всех.

Один из немногих примеров упорядочивания ресурсов – создание иерархии спин-блокировок в Windows 2000. Спин-блокировка – простейший способ синхронизации (вопросы синхронизации процессов рассмотрены в соответствующей лекции). Спин-блокировка может быть захвачена и освобождена процессом. Классическая тупиковая ситуация возникает, когда процесс P1 захватывает спин-блокировку S1 и претендует на спин-блокировку S2, а процесс P2, захватывает спин-блокировку S2 и хочет дополнительно захватить спин-блокировку S1. Чтобы этого избежать, все спин-блокировки помещаются в упорядоченный список. Захват может осуществляться только в порядке, указанном в списке.

Другой способ атаки условия кругового ожидания – действовать в соответствии с правилом, согласно которому каждый процесс может иметь только один ресурс в каждый момент времени. Если нужен второй ресурс – освободи первый. Очевидно, что для многих процессов это неприемлемо.

Таким образом, технология предотвращения циклического ожидания, как правило, неэффективна и может без необходимости закрывать доступ к ресурсам.

Игнорирование проблемы тупиков

Простейший подход – не замечать проблему тупиков. Для того чтобы принять такое решение, необходимо оценить вероятность возникновения взаимоблокировки и сравнить ее с вероятностью ущерба от других отказов аппаратного и программного обеспечения. Проектировщики обычно не желают жертвовать производительностью системы или удобством пользователей для внедрения сложных и дорогостоящих средств борьбы с тупиками.

Любая ОС, имеющая в ядре ряд массивов фиксированной размерности, потенциально страдает от тупиков, даже если они не обнаружены. Таблица открытых файлов, таблица процессов, фактически каждая таблица являются ограниченными ресурсами. Заполнение всех записей таблицы процессов может привести к тому, что очередной запрос на создание процесса может быть отклонен. При неблагоприятном стечении обстоятельств несколько процессов могут выдать такой запрос одновременно и оказаться в тупике. Следует ли отказываться от вызова CreateProcess, чтобы решить эту проблему?

Подход большинства популярных ОС (Unix, Windows и др.) состоит в том, чтобы игнорировать данную проблему в предположении, что маловероятный случайный тупик предпочтительнее, чем нелепые правила, заставляющие пользователей ограничивать число процессов, открытых файлов и т. п. Сталкиваясь с нежелательным выбором между строгостью и удобством, трудно найти решение, которое устраивало бы всех.

Нарушение принципа отсутствия перераспределения

Если бы можно было отбирать ресурсы у удерживающих их процессов до завершения этих процессов, то удалось бы добиться невыполнения третьего условия возникновения тупиков. Перечислим минусы данного подхода.

Во-первых, отбирать у процессов можно только те ресурсы, состояние которых легко сохранить, а позже восстановить, например состояние процессора. Во-вторых, если процесс в течение некоторого времени использует определенные ресурсы, а затем освобождает эти ресурсы, он может потерять результаты работы, проделанной до настоящего момента. Наконец, следствием данной схемы может быть дискриминация отдельных процессов, у которых постоянно отбирают ресурсы.

Весь вопрос в цене подобного решения, которая может быть слишком высокой, если необходимость отбирать ресурсы возникает часто.

Нарушение условия ожидания дополнительных ресурсов

Условия ожидания ресурсов можно избежать, потребовав выполнения стратегии двухфазного захвата.

В первой фазе процесс должен запрашивать все необходимые ему ресурсы сразу. До тех пор пока они не предоставлены, процесс не может продолжать выполнение. Если в первой фазе некоторые ресурсы, которые были нужны данному процессу, уже заняты другими процессами, он освобождает все ресурсы, которые были ему выделены, и пытается повторить первую фазу.

В известном смысле этот подход напоминает требование захвата всех ресурсов заранее. Естественно, что только специально организованные программы могут быть приостановлены в течение первой фазы и рестартованы впоследствии.

Таким образом, один из способов – заставить все процессы затребовать нужные им ресурсы перед выполнением ("все или ничего"). Если система в состоянии выделить процессу все необходимое, он может работать до завершения. Если хотя бы один из ресурсов занят, процесс будет ждать.

Данное решение применяется в пакетных мэйнфреймах (mainframe), которые требуют от пользователей перечислить все необходимые его программе ресурсы. Другим примером может служить механизм двухфазной локализации записей в СУБД. Однако в целом подобный подход не слишком привлекателен и приводит к неэффективному использованию компьютера. Как уже отмечалось, перечень будущих запросов к ресурсам редко удается спрогнозировать. Если такая информация есть, то можно воспользоваться алгоритмом банкира. Заметим также, что описываемый подход противоречит парадигме модульности в программировании, поскольку приложение должно знать о предполагаемых запросах к ресурсам во всех модулях.

Нарушение условия взаимоисключения

В общем случае избежать взаимоисключений невозможно. Доступ к некоторым ресурсам должен быть исключительным. Тем не менее некоторые устройства удается обобществить. В качестве примера рассмотрим принтер. Известно, что пытаться осуществлять вывод на принтер могут несколько процессов. Во избежание хаоса организуют промежуточное формирование всех выходных данных процесса на диске, то есть разделяемом устройстве. Лишь один системный процесс, называемый сервисом или демоном принтера, отвечающий за вывод документов на печать по мере освобождения принтера, реально с ним взаимодействует. Эта схема называется спулингом (spooling). Таким образом, принтер становится разделяемым устройством, и тупик для него устранен.

К сожалению, не для всех устройств и не для всех данных можно организовать спулинг. Неприятным побочным следствием такой модели может быть потенциальная тупиковая ситуация из-за конкуренции за дисковое пространство для буфера спулинга. Тем не менее в той или иной форме эта идея применяется часто.

Обнаружение тупиков

Обнаружение взаимоблокировки сводится к фиксации тупиковой ситуации и выявлению вовлеченных в нее процессов. Для этого производится проверка наличия циклического ожидания в случаях, когда выполнены первые три условия возникновения тупика. Методы обнаружения активно используют графы распределения ресурсов.

Рассмотрим модельную ситуацию.

Процесс P1 ожидает ресурс R1.Процесс P2 удерживает ресурс R2 и ожидает ресурс R1.Процесс P3 удерживает ресурс R1 и ожидает ресурс R3.Процесс P4 ожидает ресурс R2.Процесс P5 удерживает ресурс R3 и ожидает ресурс R2.

Вопрос состоит в том, является ли данная ситуация тупиковой, и если да, то какие процессы в ней участвуют. Для ответа на этот вопрос можно сконструировать граф ресурсов, как показано на рис. 7.3. Из рисунка видно, что имеется цикл, моделирующий условие кругового ожидания, и что процессы P2,P3,P5, а может быть, и другие находятся в тупиковой ситуации.

Рис. 7.3.  Граф ресурсов

Визуально легко обнаружить наличие тупика, но нужны также формальные алгоритмы, реализуемые на компьютере.

Один из таких алгоритмов описан в [Таненбаум, 2002], там же можно найти ссылки на другие алгоритмы.

Существуют и другие способы обнаружения тупиков, применимые также в ситуациях, когда имеется несколько ресурсов каждого типа. Так в [Дейтел, 1987] описан способ, называемый редукцией графа распределения ресурсов, а в [Таненбаум, 2002] – матричный алгоритм.

Основные направления борьбы с тупиками

Проблема тупиков инициировала много интересных исследований в области информатики. Очевидно, что условие циклического ожидания отличается от остальных. Первые три условия формируют правила, существующие в системе, тогда как четвертое условие описывает ситуацию, которая может сложиться при определенной неблагоприятной последовательности событий. Поэтому методы предотвращения взаимоблокировок ориентированы главным образом на нарушение первых трех условий путем введения ряда ограничений на поведение процессов и способы распределения ресурсов. Методы обнаружения и устранения менее консервативны и сводятся к поиску и разрыву цикла ожидания ресурсов.

Итак, основные направления борьбы с тупиками:

Игнорирование проблемы в целомПредотвращение тупиковОбнаружение тупиковВосстановление после тупиков

Предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков

В отсутствие информации о будущих запросах единственный способ избежать взаимоблокировки – добиться невыполнения хотя бы одного из условий раздела "Условия возникновения тупиков".

Способы предотвращения тупиков

Цель предотвращения тупиков – обеспечить условия, исключающие возможность возникновения тупиковых ситуаций. Большинство методов связано с предотвращением одного из условий возникновения взаимоблокировки.

Система, предоставляя ресурс в распоряжение процесса, должна принять решение, безопасно это или нет. Возникает вопрос: есть ли такой алгоритм, который помогает всегда избегать тупиков и делать правильный выбор. Ответ – да, мы можем избегать тупиков, но только если определенная информация известна заранее.

Способы предотвращения тупиков путем тщательного распределения ресурсов. Алгоритм банкира

Можно избежать взаимоблокировки, если распределять ресурсы, придерживаясь определенных правил. Среди такого рода алгоритмов наиболее известен алгоритм банкира, предложенный Дейкстрой, который базируется на так называемых безопасных или надежных состояниях (safe state). Безопасное состояние – это такое состояние, для которого имеется по крайней мере одна последовательность событий, которая не приведет к взаимоблокировке. Модель алгоритма основана на действиях банкира, который, имея в наличии капитал, выдает кредиты.

Суть алгоритма состоит в следующем.

Предположим, что у системы в наличии n устройств, например лент.ОС принимает запрос от пользовательского процесса, если его максимальная потребность не превышает n.Пользователь гарантирует, что если ОС в состоянии удовлетворить его запрос, то все устройства будут возвращены системе в течение конечного времени.Текущее состояние системы называется надежным, если ОС может обеспечить всем процессам их выполнение в течение конечного времени.В соответствии с алгоритмом банкира выделение устройств возможно, только если состояние системы остается надежным.

Рассмотрим пример надежного состояния для системы с 3 пользователями и 11 устройствами, где 9 устройств задействовано, а 2 имеется в резерве. Пусть текущая ситуация такова:

Рис. 7.2.  Пример надежного состояния для системы с 3 пользователями и 11 устройствами.

Данное состояние надежно. Последующие действия системы могут быть таковы. Вначале удовлетворить запросы третьего пользователя, затем дождаться, когда он закончит работу и освободит свои три устройства. Затем можно обслужить первого и второго пользователей. То есть система удовлетворяет только те запросы, которые оставляют ее в надежном состоянии, и отклоняет остальные.

Термин ненадежное состояние не предполагает, что обязательно возникнут тупики. Он лишь говорит о том, что в случае неблагоприятной последовательности событий система может зайти в тупик.

Данный алгоритм обладает тем достоинством, что при его использовании нет необходимости в перераспределении ресурсов и откате процессов назад. Однако использование этого метода требует выполнения ряда условий.

Число пользователей и число ресурсов фиксировано. Число работающих пользователей должно оставаться постоянным. Алгоритм требует, чтобы клиенты гарантированно возвращали ресурсы. Должны быть заранее указаны максимальные требования процессов к ресурсам. Чаще всего данная информация отсутствует.

Наличие таких жестких и зачастую неприемлемых требований может склонить разработчиков к выбору других решений проблемы взаимоблокировки.

Условия возникновения тупиков

Условия возникновения тупиков были сформулированы Коффманом, Элфиком и Шошани в 1970 г.

Условие взаимоисключения (Mutual exclusion). Одновременно использовать ресурс может только один процесс.Условие ожидания ресурсов (Hold and wait). Процессы удерживают ресурсы, уже выделенные им, и могут запрашивать другие ресурсы. Условие неперераспределяемости (No preemtion). Ресурс, выделенный ранее, не может быть принудительно забран у процесса. Освобождены они могут быть только процессом, который их удерживает.Условие кругового ожидания (Circular wait). Существует кольцевая цепь процессов, в которой каждый процесс ждет доступа к ресурсу, удерживаемому другим процессом цепи.

Для образования тупика необходимым и достаточным является выполнение всех четырех условий.

Обычно тупик моделируется циклом в графе, состоящем из узлов двух видов: прямоугольников – процессов и эллипсов – ресурсов, наподобие того, что изображен на рис. 7.1. Стрелки, направленные от ресурса к процессу, показывают, что ресурс выделен данному процессу. Стрелки, направленные от процесса к ресурсу, означают, что процесс запрашивает данный ресурс.

Восстановление после тупиков

Обнаружив тупик, можно вывести из него систему, нарушив одно из условий существования тупика. При этом, возможно, несколько процессов частично или полностью потеряют результаты проделанной работы.

Сложность восстановления обусловлена рядом факторов.

В большинстве систем нет достаточно эффективных средств, чтобы приостановить процесс, вывести его из системы и возобновить впоследствии с того места, где он был остановлен.Если даже такие средства есть, то их использование требует затрат и внимания оператора.Восстановление после тупика может потребовать значительных усилий.

Самый простой и наиболее распространенный способ устранить тупик – завершить выполнение одного или более процессов, чтобы впоследствии использовать его ресурсы. Тогда в случае удачи остальные процессы смогут выполняться. Если это не помогает, можно ликвидировать еще несколько процессов. После каждой ликвидации должен запускаться алгоритм обнаружения тупика.

По возможности лучше ликвидировать тот процесс, который может быть без ущерба возвращен к началу (такие процессы называются идемпотентными). Примером такого процесса может служить компиляция. С другой стороны, процесс, который изменяет содержимое базы данных, не всегда может быть корректно запущен повторно.

В некоторых случаях можно временно забрать ресурс у текущего владельца и передать его другому процессу. Возможность забрать ресурс у процесса, дать его другому процессу и затем без ущерба вернуть назад сильно зависит от природы ресурса. Подобное восстановление часто затруднительно, если не невозможно.

В ряде систем реализованы средства отката и перезапуска или рестарта с контрольной точки (сохранение состояния системы в какой-то момент времени). Если проектировщики системы знают, что тупик вероятен, они могут периодически организовывать для процессов контрольные точки. Иногда это приходится делать разработчикам прикладных программ.

Когда тупик обнаружен, видно, какие ресурсы вовлечены в цикл кругового ожидания. Чтобы осуществить восстановление, процесс, который владеет таким ресурсом, должен быть отброшен к моменту времени, предшествующему его запросу на этот ресурс.

В предыдущих лекциях мы рассматривали

В предыдущих лекциях мы рассматривали способы синхронизации процессов, которые позволяют процессам успешно кооперироваться. Однако в некоторых случаях могут возникнуть непредвиденные затруднения. Предположим, что несколько процессов конкурируют за обладание конечным числом ресурсов. Если запрашиваемый процессом ресурс недоступен, ОС переводит данный процесс в состояние ожидания. В случае когда требуемый ресурс удерживается другим ожидающим процессом, первый процесс не сможет сменить свое состояние. Такая ситуация называется тупиком (deadlock). Говорят, что в мультипрограммной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ожидает события, которое никогда не произойдет. Системная тупиковая ситуация, или "зависание системы", является следствием того, что один или более процессов находятся в состоянии тупика. Иногда подобные ситуации называют взаимоблокировками. В общем случае проблема тупиков эффективного решения не имеет.
Рассмотрим пример. Предположим, что два процесса осуществляют вывод с ленты на принтер. Один из них успел монополизировать ленту и претендует на принтер, а другой наоборот. После этого оба процесса оказываются заблокированными в ожидании второго ресурса (см. рис. 7.1).

Рис. 7.1.  Пример тупиковой ситуации
Определение. Множество процессов находится в тупиковой ситуации, если каждый процесс из множества ожидает события, которое может вызвать только другой процесс данного множества. Так как все процессы чего-то ожидают, то ни один из них не сможет инициировать событие, которое разбудило бы другого члена множества и, следовательно, все процессы будут спать вместе.
Выше приведен пример взаимоблокировки, возникающей при работе с так называемыми выделенными устройствами. Тупики, однако, могут иметь место и в других ситуациях. Hапример, в системах управления базами данных записи могут быть локализованы процессами, чтобы избежать состояния гонок (см. лекцию 5 "Алгоритмы синхронизации"). В этом случае может получиться так, что один из процессов заблокировал записи, необходимые другому процессу, и наоборот.
Таким образом, тупики могут иметь место как на аппаратных, так и на программных ресурсах.
Тупики также могут быть вызваны ошибками программирования. Например, процесс может напрасно ждать открытия семафора, потому что в некорректно написанном приложении эту операцию забыли предусмотреть. Другой причиной бесконечного ожидания может быть дискриминационная политика по отношению к некоторым процессам. Однако чаще всего событие, которого ждет процесс в тупиковой ситуации, – освобождение ресурса, поэтому в дальнейшем будут рассмотрены методы борьбы с тупиками ресурсного типа.
Ресурсами могут быть как устройства, так и данные. Hекоторые ресурсы допускают разделение между процессами, то есть являются разделяемыми   ресурсами. Например, память, процессор, диски коллективно используются процессами. Другие не допускают разделения, то есть являются выделенными, например лентопротяжное устройство. К взаимоблокировке может привести использование как выделенных, так и разделяемых ресурсов. Например, чтение с разделяемого диска может одновременно осуществляться несколькими процессами, тогда как запись предполагает исключительный доступ к данным на диске. Можно считать, что часть диска, куда происходит запись, выделена конкретному процессу. Поэтому в дальнейшем мы будем исходить из предположения, что тупики связаны с выделенными ресурсами , то есть тупики возникают, когда процессу предоставляется эксклюзивный доступ к устройствам, файлам и другим ресурсам.
Традиционная последовательность событий при работе с ресурсом состоит из запроса, использования и освобождения ресурса. Тип запроса зависит от природы ресурса и от ОС. Запрос может быть явным, например специальный вызов request, или неявным – open для открытия файла. Обычно, если ресурс занят и запрос отклонен, запрашивающий процесс переходит в состояние ожидания.
Далее в данной лекции будут рассматриваться вопросы обнаружения, предотвращения, обхода тупиков и восстановления после тупиков. Как правило, борьба с тупиками – очень дорогостоящее мероприятие.Тем не менее для ряда систем, например для систем реального времени, иного выхода нет.

Возникновение тупиков является потенциальной проблемой

Возникновение тупиков является потенциальной проблемой любой операционной системы. Они возникают, когда имеется группа процессов, каждый из которых пытается получить исключительный доступ к некоторым ресурсам и претендует на ресурсы, принадлежащие другому процессу. В итоге все они оказываются в состоянии бесконечного ожидания.
С тупиками можно бороться, можно их обнаруживать, избегать и восстанавливать систему после тупиков. Однако цена подобных действий высока и соответствующие усилия должны предприниматься только в системах, где игнорирование тупиковых ситуаций приводит к катастрофическим последствиям.

---

---