2011. Машбук (1114722), страница 34
Текст из файла (страница 34)
множестваресурсов, которые принадлежат независимым процессам, в пересечении дают пустоемножество. Альтернативой независимым процессам являются взаимодействующиепроцессы. Взаимодействующие процессы совместно используют ресурсы, и выполнениеодного процесса может оказывать влияние на результат другого процесса, участвующего вэтом взаимодействии.Совместное использование ресурса ВС двумя и более параллельными процессами,когда каждый из процессов некоторое время владеет этим ресурсом, называетсяразделением ресурса. Разделению подлежат как аппаратные, так и программные(виртуальные) ресурсы. Разделяемый ресурс, который в каждый момент времени можетбыть доступен только одному из взаимодействующих процессов, называетсякритическим ресурсом. (Таковыми ресурсами могут быть как внешнее устройство, так инекая переменная, значение которой может изменяться разными процессами.)Соответственно, часть программы (фактически набор операций), в рамках которойосуществляется работа с критическим ресурсом, называется критической секцией (иликритическим интервалом).При организации многопроцессного взаимодействия и использования разделяемыхресурсов, возникает целый ряд новых проблем, по сравнению с однопроцесснымпрограммированием.
Главным образом, эти проблемы связаны с обеспечениемкорректного доступа к разделяемым ресурсам. Выделяют две важнейшие задачи ОС:распределение ресурсов между процессами и организация корректного доступа (т.е.организациязащитыресурсов,выделенныхопределенномупроцессу,отнеконтролируемого доступа со стороны других процессов). В частности, подорганизацией корректного доступа может пониматься требование, декларирующеенеобходимость обеспечения независимости работы параллельных процессов от порядка иинтенсивности доступа этих процессов к разделяемым ресурсам.Рассмотрим соответствующий пример (Рис. 91). Пусть имеется некоторая общаяпеременная (разделяемый ресурс) in и два процесса, которые работают с этой переменной.Пусть в некоторый момент времени процесс A присвоил переменной in значение X.
Затемв некоторый момент процесс B присвоил значение Y этой же переменной in. Далее обапроцесса читают эту переменную, и в обоих случаях процессы прочтут значение Y. Тоесть в этом случае символ, считанный процессом А, был потерян, а символ, считанныйпроцессом В, был выведен дважды. Результат выполнения процессов здесь зависит оттого, в какой момент осуществляется переключение процессов, и от того, какой конкретнопроцесс будет выбран следующим для выполнения. Таким образом, требованиенезависимости работы параллельных процессов нарушается. Такие ситуация, когда120процессы конкурируют за разделяемый ресурс, называются гонкой процессов (raceconditions).void echo(){char in;input(in);output(in);}XПроцесс Ainput(in);Процесс BYinput(in);output(in);Youtput(in);YРис.
91. Пример гонки процессов.Единственный способ избежать гонок при использовании разделяемых ресурсов —контролировать доступ к любым разделяемым ресурсам в системе. При этом необходимоорганизовать взаимное исключение — т.е. такой способ работы с разделяемым ресурсом,при котором постулируется, что в тот момент, когда один из процессов работает сразделяемым ресурсом, все остальные процессы не могут иметь к нему доступ. Проблемуорганизации взаимного исключения можно сформулировать в более общем виде: задачавзаимного исключения сводится к тому, чтобы не допускать ситуации, когда два процессаодновременно находятся в критических секциях, связанных с одним и тем же ресурсом.Заметим, что вопрос организации взаимного исключения актуален не только длявзаимосвязанных процессов, совместно использующих определенные ресурсы дляобмена информацией.
Выше отмечалось, что возможна ситуация, когда процессы, неподозревающие о существовании друг друга, используют глобальные ресурсы системы,такие как устройства ввода/вывода, принтеры и т.п. В этом случае имеет местоконкуренция за ресурсы, доступ к которым также должен быть организован по принципувзаимного исключения.Для организации модели взаимного исключения используются различные моделисинхронизации.
Прежде чем рассматривать эти модели, необходимо отметить тепроблемы, которые могут возникать при организации взаимного исключения, — этоблокировки и тупики.Блокировка — это ситуация, когда доступ к разделяемому ресурсу одного извзаимодействующих процессов не обеспечивается из-за активности других, болееприоритетных процессов. Отметим следующее. Рассмотрим основанную на приоритетахмодель доступа к разделяемому ресурсу, когда более приоритетный запрос на обращениек ресурсу будет обработан быстрее, чем менее приоритетный.
И пусть в этой моделиработают два процесса, у которых приоритеты доступа к критическому ресурсу разные.Тогда, если более приоритетный процесс будет «часто» выдавать запросы на обращение кресурсу, может возникнуть ситуация, когда второй процесс будет «вечно» (илидостаточно долго) ожидать обработки каждого своего запроса, т.е. этот менееприоритетный процесс будет блокирован.Тупик, или deadlock, — это ситуация, когда (из-за некорректной организациидоступа и разделения ресурсов) конкурирующие за критический ресурс процессывступают в клинч — происходит взаимоблокировка.
Рассмотрим пример тупиковойситуации (Рис. 92).121Процесс A34STOPПроцесс BSTOP12Доступ закрытДоступ закрытРесурс 1Ресурс 2Рис. 92. Пример тупиковой ситуации (deadlock).Предположим, что есть два процесса A и B, а также пара критических ресурсов.Пусть в некоторый момент времени процесс A вошел в критическую секцию работы сресурсом 1. Это означает, что доступ любого другого процесса к данному ресурсу будетблокирован (пока процесс А не закончит с ним работать). Пусть также в это времяпроцесс B войдет в критическую секцию ресурса 2.
И этот ресурс также будет блокировандля доступа другим процессам (пока процесс В не закончит с ним работать). Пустьпроцесс A, не выходя из критической секции ресурса 1, пытается захватить ресурс 2. Нопоследний уже захвачен процессом B, и процесс A блокируется. Аналогично, пустьпроцесс B, не освобождая ресурс 2, пытается захватить ресурс 1 и также блокируется. Этопример простейшего тупика.
В этой ситуации каждый из процессов ожидаетосвобождения недостающего ресурса, но оба ресурса никогда не будут освобождены, ипроцессы никогда не смогут выполнить необходимые действия. Соответственно,решением в данном случае может быть перезапуск системы или уничтожение обоих илиодного из процессов.2.4.2 Способы организации взаимного исключенияВ этом разделе речь пойдет о средствах, позволяющих организовать работу скритическими ресурсами, т.е. организовать такой способ работы с разделяемым ресурсом,при котором в любой момент времени к нему может иметь доступ не более одногопроцесса. В настоящий момент известно множество средств организации взаимногоисключения, среди которых мы рассмотрим семафоры Дейкстры, мониторы Хоара иаппарат передачи сообщений.Семафоры Дейкстры — это формальная модель организации доступа,предложенная в середине 60-х гг.
голландским ученым Дейкстрой. Эта модель базируетсяна следующей концепции. Имеется специальный тип данных — т.н. семафор.Переменные типа семафор могут принимать целочисленные значения. Над этимипеременными определены следующие атомарные (неделимые) операции: опуститьсемафор down(S) (или P(S)) и поднять семафор up(S) (или V(S)). Оригинальныеобозначения P и V, данные Дейкстрой и получившие широкое распространение влитературе, являются сокращениями голландских слов proberen — проверить иverhogen — увеличить.Операция down(S) проверяет значение семафора S и, если оно больше нуля, тоуменьшает его на 1. Если же это не так, процесс блокируется, причем связанная сзаблокированным процессом операция down считается незавершенной.Операция up(S) увеличивает значение семафора на 1. При этом если в системеприсутствуют процессы, блокированные ранее при выполнении down на этом семафоре,то один из них разблокируется и завершает выполнение операции down, т.е.
вновьуменьшает значение семафора. Увеличение значения семафора и, возможно,122разблокирование одного из процессов и уменьшение значения являются атомарнойнеделимой операцией. Выбор процесса для разблокирования никак не оговаривается.Ещё раз отметим, что операции up и down являются атомарными (неделимыми),т.е. их выполнение не может быть прервано прерыванием.Для иллюстрации рассмотренного механизма приведем следующий пример.Рассмотрим некий универсам. Вход в торговый зал магазина возможен лишь дляпосетителей, имеющих тележку. В магазине имеется N тележек.
Итак, в начальныймомент (когда магазин открывается) имеется N свободных тележек. Каждый очереднойпосетитель берет тележку и проходит в зал. Так продолжается, пока не появится (N+1)-ыйпосетитель, которому тележки уже не хватает. Он войти не может и ждет свободнойтележки перед входом в торговый зал. Если приходят еще покупатели, то они такжеожидают свободной тележки. Поскольку рассматриваемый формализм, как упоминалосьвыше, ничего не говорит о выборе очередного заблокированного процесса, то будемсчитать, что прибывающие в магазин покупатели не становятся в очередь, а стоят в неком«беспорядке» (толпой).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
