Тупики и методы борьбы с ними

Процессы и потоки управления — активные объекты. Ресурсы — неактив­ные объекты (процессор — вытесняемый ресурс, дисковое пространство — невытесняемый ресурс). Во время своей работы процесс (поток управления) может попасть в два неприятных состояния: зависание и тупик.

Зависание — состояние неопределенного ожидания, из которого рано или поздно процессы выходят. Связано с ожиданием каких-либо ресурсов.

Тупик — состояние ожидания некоторого события, которое никогда не про­изойдет (как правило, это круговое ожидание ресурсов).

Система находится в тупиковой ситуации, если один или более процессов находятся в состоянии тупика.

Существуют четыре необходимых условия для возникновения тупика:

1. Условие взаимоисключения (процессы требуют монопольного владения ресурсами, им предоставляемыми).

2. Условие ожидания (процессы удерживают уже выделенные им ресурсы, ожидая выделения дополнительных).

3. Условие нераспределяемости (ресурсы нельзя отобрать у удерживающих их процессов, пока они не будут использованы).

4. Условие кругового ожидания (существует кольцевая цепь процессов, в ко­торой каждый процесс удерживает за собой один или более ресурсов, требующихся следующему процессу).

Существует четыре основных стратегии работы с тупиками.

1. Полное игнорирование проблемы ("алгоритм страуса"). В большинстве своем реальные операционные системы не осуществляют борьбу с тупиками, поскольку ресурсов и так достаточно много.

2. Предотвращение тупиков (prevention) — подход, цель которого обеспече­ние условий, исключающих возможность возникновения тупиковой си­туации. Чтобы предотвратить тупик, достаточно нарушить хотя бы одно необходимое условие.

• Первое условие (взаимоисключение) вполне естественно (например, для такого устройства, как накопитель на магнитной ленте).

• Нарушая второе условие (ожидание), процесс должен сразу запросить все ресурсы. Эффективность системы при этом может значительно ухудшиться. В качестве компромиссного решения можно предложить разделять процесс на шаги.

• Нарушить третье условие (нераспределяемость) можно следующим об­разом. Процесс, удерживающий ресурсы и получивший отказ на дру­гие ресурсы, должен освободить все взятые ресурсы, и через некото­рое время запросить их заново. При этом процесс может потерять большую часть проделанной работы.

• Нарушая четвертое условие (кругового ожидания), следует ввести ли­нейную упорядоченность ресурсов, пронумеровав их, и выдавать их в порядке, не допускающим возникновение кругового ожидания. Дан­ный подход требует значительных накладных расходов на хранение информации, связанной с типами ресурсов и упорядоченностью эк­земпляров ресурсов.

3. Обход тупиков (avoidance) — подход, который обеспечивает рациональное распределение ресурсов по рациональным правилам. Он вводит менее жесткие ограничения, чем предыдущий подход. Наиболее известным ме­тодом обхода тупиков является алгоритм банкира:

• Алгоритм банкира имитирует действия банкира, располагающего оп­ределенным источником капитала, выдающего ссуды и принимаю­щего платежи. Алгоритм был предложен Дейкстрой.

• Состояние системы будем называть надежным, если операционная система может обеспечить всем пользователям завершение их задач в течение конечного промежутка времени. Суть алгоритма в том, что система удовлетворяет только те запросы, при которых ее состояние остается надежным. Остальные запросы откладываются.

• Существуют два основных ограничения этого подхода: каждый про­цесс заранее должен указать максимальное количество ресурсов, кото­рое ему понадобится и в каждый момент процесс должен захватывать только один ресурс. Данный алгоритм на практике неприменим из-за его неэффективности, т. к. необходимость в пересчете возникает не­прерывно, при каждом поступлении процесса в систему и его удале­нии для каждой разновидности ресурсов.

4. Обнаружение тупиков (detection) — подход, который допускает возникно­вение тупиков, определяет процессы и ресурсы, которые вовлечены в ту­пиковую ситуацию, и пытается вывести систему из нее.

Для анализа свойств асинхронных процессов (в частности, для обнаружения тупиков) используются графические модели, которые мы сейчас рассмотрим.