5 Лабораторная работа. Взаимные блокировки потоков и их обнаружение

Цель работы: получить практические навыки обнаружения взаимоблокировок потоков.

5.1 Общие сведения

Потоки возникли в операционных системах как средство распараллеливания вычислений, хотя эта задача в рамках одного приложения может быть решена и традиционными способами.

Каждый процесс всегда состоит, по крайней мере, из одно­го потока выполнения, и только если имеется внутренний параллелизм, програм­мист может «расщепить» один поток на несколько параллельных. Потребность в потоках возникла еще в однопроцессорных вычислительных системах, поскольку они позволяли организовать вычисления более эффективно. Для использования достоинств многопроцессорных систем с общей памятью потоки уже просто необ­ходимы, так как позволяют не только реально ускорить выполнение тех задач, ко­торые допускают их естественное распараллеливание, но и загрузить процессор­ные элементы работой, с тем, чтобы они не простаивали. Желательно свести к минимуму взаимодействие потоков меж­ду собой, ибо ускорение от одновременного выполнения параллельных потоков может быть сведено к минимуму из-за задержек синхронизации и обмена данными. Каждый поток выполняется строго последовательно и имеет свой собственный программный счетчик и стек. Потоки, как и процессы, могут порождать потоки-потомки, поскольку любой процесс состоит, по крайней мере, из одного потока. Подобно традиционным процессам (однопо­точным), каждый поток может находиться в одном из активных состояний. Пока один поток заблокирован (или просто находится в очереди готовых к исполнению за­дач), другой поток того же процесса может выполняться. Например, потоки разделяют про­цессорное время так же, как это делают обычные процессы, в соответствии с раз­личными вариантами диспетчеризации. Использование потоков связано не только со стремлением повысить производительность системы за счет параллельных вычислений, но и с целью создания более читабельных, логичных программ. Введение нескольких потоков выполнения упрощает программирование.

Тем не менее, проблемой многопоточных программ является возможность взаимной блокировки потоков. Взаимная блокировка может произойти в том случае, если каждый из двух потоков ждет освобождения ресурса, заблокированного другим потоком. Рассмотрим возможность обнаружения взаимоблокировок при наличии нескольких разделяемых ресурсов каждого типа.

Пусть имеется множество процессов Р={Р₁, Р₂, …, Р_n} и множество ресурсов Е={Е₁, Е₂, …, Е_m}, где n и m - количество процессов и ресурсов соответственно. В любой момент времени некоторые ресурсы могут быть заняты и, соответственно, недоступны.

Пусть вектор А=(А₁, А₂, …, А_m) – вектор доступных ресурсов. Причем выполняется соотношение А_j<=Е_j, где j=1, 2, …, m.

Кроме того, рассматриваются две матрицы:

1) С={с_ij}, i=1, 2, …n; j=1,2,...,m – матрица текущего распределения ресурсов, где с_ij – количество ресурсов j-того класса, которые занимает процесс P_i;

2) R={r_ij}, i=1,2,...n; j=1,2,...,m – матрица требуемых (запрашиваемых) ресурсов, где r_ij – количество ресурсов j–того класса, которые хочет получить процесс P_i.

Справедливо m соотношений по ресурсам:

, где j=1,2,...,m. (5.1)

Алгоритм обнаружения взаимоблокировок основан на сравнении векторов доступных и требуемых ресурсов. В исходном состоянии все процессы не отмечены. По мере реализации алгоритма на процессы будет ставиться отметка, что они могут закончить свою работу, следовательно, не находятся в тупике. После завершения алгоритма любой немаркированный процесс находится в тупиковой ситуации.

Алгоритм обнаружения тупиков состоит из следующих шагов:

1. ищется процесс P_i, для которого i-строка матрицы R меньше вектора A, то есть R_i<=A, или r_ij<A_j, где j=1, 2, ..., m;

2. если такой процесс найден, это значит, что он может завершиться и освободить занятые ресурсы. Найденный процесс отмечается, i–я строка матрицы C прибавляется к вектору A, то есть A_j=A_j+c_ij, где j=1,2,...m, и осуществляется возвращение к шагу 1;

3. если таких процессов не существует, работа алгоритма заканчивается, а неотмеченные процессы попадают в тупик.

Изложенный алгоритм можно использовать для решения задач обнаружения тупиковых ситуаций и заблокированных процессов в системе с множественными ресурсами.