Проблема синхронизации

Курсовая работа

по дисциплине «Теория вычислительных процессов»

на тему «Задачи синхронизации. Решение задачи о стрелках»

Магнитогорск 2012

Содержание

1........ Теоретический вопрос «Задачи синхронизации». 3

1.1 Определение задачи синхронизации. 3

1.2 Проблема синхронизации. 4

1.3 Выводы по межпроцессным отношениям. 9

2........ Решение задачи «Об обедающих философах». 10

2.1 Постановка задачи об обедающих философах. 10

2.2 Решение задачи с использованием методологии К.Петри. 11

2.3 Листинг процедур, обеспечивающих решение задачи. 11

3........ Список использованных источников. 15

Теоретический вопрос «Задачи синхронизации»

Определение задачи синхронизации

В теории операционных систем (ОС) под процессом понимается некоторая деятельность, связанная с исполнением программы на процессоре [8]. Многие ОС поддерживают одновременное (параллельное) выполнение нескольких процессов. Процессы могут выполняться до тех пор, пока не возникнет потребность в общении между ними. В каждом конкретном случае общение задается с помощью синхронизирующих правил, определяющих порядок выполнения взаимосвязанных параллельных процессов. Существо синхронизирующих правил определяют отношения предшествования, приоритетности, взаимного исключения. Реализация синхронизирующих правил осуществляется с помощью механизмов (средств) синхронизации. Такие механизмы весьма многочисленны по способам реализации. Чаще всего они име­ют программно-аппаратную форму реализации и основаны на использовании специальных переменных, разделяемых и глобально доступных параллельным взаимодействующим процессам. В большинстве своем механизмы синхронизации выполняют двоякую роль – обеспечивают не только способ упорядочения развития процессов (отрабатывают тип отношения следования про­цессов), но и взаимодействие между процессами, выражающе­еся в передаче информации между ними.

Особенности каждого конкретного взаимодействия между двумя и более параллельными процессами определяются задачей синхронизации. Количество различных задач синхронизации неограничено. Однако некоторые из них являются типовыми. К ним относятся: взаимное исключение, производители-потребители, читатели-писатели, обедающие философы и т. д. Большинство задач в реальных ОС по согласованию параллельных процессов можно решить либо с помощью этих типовых задач, либо с помощью их модификаций. К классическим задачам синхронизации относятся: задача о спящем парикмахере, задача о обедающих философах, задача о читателях и писателях, задача о производителях и потребителях.

Проблема синхронизации

Процессам часто нужно взаимодействовать друг с другом, например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.

Рисунок 1– Пример необходимости синхронизации

Пренебрежение вопросами синхронизации процессов, выполняющихся в режиме мультипрограммирования, может привести к их неправильной работе или даже к краху системы. Рассмотрим, например (рисунок 1), программу печати файлов (принт-сервер). Эта программа печатает по очереди все файлы, имена которых последовательно в порядке поступления записывают в специальный общедоступный файл "заказов" другие программы. Особая переменная NEXT, также доступная всем процессам-клиентам, содержит номер первой свободной для записи имени файла позиции файла "заказов". Процессы-клиенты читают эту переменную, записывают в соответствующую позицию файла "заказов" имя своего файла и наращивают значение NEXT на единицу. Предположим, что в некоторый момент процесс R решил распечатать свой файл, для этого он прочитал значение переменной NEXT, значение которой для определенности предположим равным 4. Процесс запомнил это значение, но поместить имя файла не успел, так как его выполнение было прервано (например, в следствие исчерпания кванта). Очередной процесс S, желающий распечатать файл, прочитал то же самое значение переменной NEXT, поместил в четвертую позицию имя своего файла и нарастил значение переменной на единицу. Когда в очередной раз управление будет передано процессу R, то он, продолжая свое выполнение, в полном соответствии со значением текущей свободной позиции, полученным во время предыдущей итерации, запишет имя файла также в позицию 4, поверх имени файла процесса S.

Таким образом, процесс S никогда не увидит свой файл распечатанным. Сложность проблемы синхронизации состоит в нерегулярности возникающих ситуаций: в предыдущем примере можно представить и другое развитие событий: были потеряны файлы нескольких процессов или, напротив, не был потерян ни один файл. Ситуации подобные той, когда два или более процессов обрабатывают разделяемые данные, и конечный результат зависит от соотношения скоростей процессов, называются гонками.

Приведенный выше пример поможет нам проиллюстрировать еще одну проблему синхронизации - взаимные блокировки, называемые также дедлоками (deadlocks) или тупиками. Если переставить местами операции P(e) и P(b) в программе "писателе", то при некотором стечении обстоятельств эти два процесса могут взаимно заблокировать друг друга. Действительно, пусть "писатель" первым войдет в критическую секцию и обнаружит отсутствие свободных буферов; он начнет ждать, когда "читатель" возьмет очередную запись из буфера, но "читатель" не сможет этого сделать, так как для этого необходимо войти в критическую секцию, вход в которую заблокирован процессом "писателем".

Рассмотрим еще один пример тупика. Пусть двум процессам, выполняющимся в режиме мультипрограммирования, для выполнения их работы нужно два ресурса, например, принтер и диск. На рисунке 2,а показаны фрагменты соответствующих программ. И пусть после того, как процесс А занял принтер (установил блокирующую переменную), он был прерван. Управление получил процесс В, который сначала занял диск, но при выполнении следующей команды был заблокирован, так как принтер оказался уже занятым процессом А. Управление снова получил процесс А, который в соответствии со своей программой сделал попытку занять диск и был заблокирован: диск уже распределен процессу В. В таком положении процессы А и В могут находиться сколь угодно долго.

В зависимости от соотношения скоростей процессов, они могут либо совершенно независимо использовать разделяемые ресурсы (г), либо образовывать очереди к разделяемым ресурсам (в), либо взаимно блокировать друг друга (б). Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя и те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: процесс приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь - это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Она возникает тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но через некоторое время он освобождается, и процесс продолжает свое выполнение. Тупик же, что видно из его названия, является в некотором роде неразрешимой ситуацией.

Проблема тупиков включает в себя следующие задачи:

- предотвращение тупиков;

- распознавание тупиков;

- восстановление системы после тупиков;

Рисунок 2 – (a) фрагменты программ А и В, разделяющих принтер и диск; (б) взаимная блокировка (клинч);(в) очередь к разделяемому диску; (г) независимое использование ресурсов

Тупики могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы тупик не мог возникнуть ни при каком соотношении взаимных скоростей процессов. Так, если бы в предыдущем примере процесс А и процесс В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупик был бы в принципе невозможен. Второй подход к предотвращению тупиков называется динамическим и заключается в использовании определенных правил при назначении ресурсов процессам, например, ресурсы могут выделяться в определенной последовательности, общей для всех процессов.

В некоторых случаях, когда тупиковая ситуация образована многими процессами, использующими много ресурсов, распознавание тупика является нетривиальной задачей. Существуют формальные, программно-реализованные методы распознавания тупиков, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки.

Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них, при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами, можно вернуть некоторые процессы в область свопинга, можно совершить "откат" некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в местах, после которых возможно возникновение тупика.

Из всего вышесказанного ясно, что использовать семафоры нужно очень осторожно, так как одна незначительная ошибка может привести к остановке системы. Для того, чтобы облегчить написание корректных программ, было предложено высокоуровневое средство синхронизации, называемое монитором. Монитор - это набор процедур, переменных и структур данных. Процессы могут вызывать процедуры монитора, но не имеют доступа к внутренним данным монитора. Мониторы имеют важное свойство, которое делает их полезными для достижения взаимного исключения: только один процесс может быть активным по отношению к монитору. Компилятор обрабатывает вызовы процедур монитора особым образом. Обычно, когда процесс вызывает процедуру монитора, то первые несколько инструкций этой процедуры проверяют, не активен ли какой-либо другой процесс по отношению к этому монитору. Если да, то вызывающий процесс приостанавливается, пока другой процесс не освободит монитор. Таким образом, исключение входа нескольких процессов в монитор реализуется не программистом, а компилятором, что делает ошибки менее вероятными.

Поиск по сайту: