17. Проблема тупика и задачи, связанные с решением проблемы тупика: формулировки задач и подходы к решению. Примеры.

Проблема тупика - одна из наиболее сложных проблем, решаемых при разработке программных систем в мультипрограммной среде.

Говорят, что процесс находится в состоянии тупика , если он ожидает некоторого события, которое не может произойти без вмешательства извне, то есть если не будут приняты “чрезвычайные меры” : процесс оказывается заблокированным в результате таких запросов на ресурсы, которые не могут быть удовлетворены, если не перераспределить принудительно ресурсы, “отобрав” их у других процессов, или не снять с выполнения эти процессы до нормального их завершения, процесс может быть также заблокирован в результате ожидания сигнала, который не может быть ему передан другим процессом.

Тупик может быть результатом ошибки при разработке программ для выполнения их в многопрограммной среде с динамическим распределением ресурсов.

Особенно большое значение решение проблемы тупика приобретает в системах реального времени, в вычислительных сетях.

Таким образом, проблема тупика - глобальная системная проблема, в рамках которой решаются следующие задачи:

• предотвращение тупиков;

• обход тупиков;

• распознавание тупиков;

• вывод системы из тупика и восстановление ее работоспособности.

• Цель предотвращения тупика - создание таких условий функционирования системы, которые полностью исключают саму возможность возникновения тупика.

• Задача обхода тупика решается в системах, где возможность возникновения тупика не исключается. Цель решения этой задачи - обход состояний, где вероятность возникновения тупика велика.

Цель задачи распознавания тупика - установить сам факт возникновения тупиковой ситуации и определить объекты системы (процессы и ресурсы), вовлеченные в нее, то есть определить причины, приведшие к тупику.

При возникновении тупиковой ситуации ставится следующая задача - вывод системы из тупика с возможно меньшими потерями и восстановление ее работоспособности.

18. Задача предотвращения тупика, подходы к решению, анализ Примеры.

Тупики могут возникнуть только в системах, где выполняются четыре необходимых условия их появления:

1. условие взаимоисключения (процессы требуют предоставления им права монопольного использования ресурсов, которые им выделяются);

2. условие ожидания ресурсов (процессы, запросившие ресурс, ожидают его выделения, не отказываясь от своих запросов);

3. условие неперераспределяемости ресурсов (ресурсы, выделенные процессам, не могут быть перераспределены, пока процессы не используют их до конца и не выполнят сами операцию освобождения, даже если процессы, удерживающие ресурсы, находятся в заблокированном состоянии);

4. условие циклического ожидания (существует кольцевая цепь процессов, в которой каждый процесс удерживает один или более ресурсов, необходимых следующему процессу в этой цепи).

Нарушение какого-либо из этих условий создает возможность предотвращения тупиков в системе.

Все методы предотвращения тупиков имеют одну цель - обеспечение условий, при которых все состояния в системе будут безопасными.

Соблюдение первых трех условий определяется режимом работы ОС, поэтому практически при разработке программных систем можно предотвратить тупики, только сделав невозможным выполнение последнего условия, которое и дает практический подход к решению задачи предотвращения тупиков.

Первый метод (самый простой для реализации) состоит в том, что все ресурсы в системе отдаются в распоряжение одного процесса. Фактически это означает организацию однопрограммного режима работы ВС, что означает неэффективное ее функционирование.

Второй подход состоит в том, чтоб определить все потребности процессов в ресурсах (максимальные потребности для всего времени выполнения процесса в ВС) сразу, при их порождении. Процесс вводится в систему только тогда, когда его максимальные запросы могут быть удовлетворены с учетом распределения ресурсов другим процессам, выполняющимся в системе. Таким образом, запрещается фактически динамическое распределение ресурсов. Тупиков не будет, так как процесс сможет получить ресурсы только тогда, когда все его запросы смогут быть удовлетворены. При этом при выполнении процесса заранее выделенные ему ресурсы могут и не потребоваться, то есть ресурсы ВС будут использоваться также неэффективно.

Третий подход к решению задачи предотвращения тупиков состоит в реализации стратегии упорядочения ресурсов.

Все ресурсы делятся на классы

K₁, K₂, ... , K_k

так, что ресурс из класса K_i может быть выделен процессу только тогда, когда этому процессу не распределены уже ресурсы из классов

K_i, K_i+1, ... , K_k

(при k=1 получается описанный выше вариант).

Классификация ресурсов выполняется в соответствии с их свойствами и естественным порядком запросов на них от выполняющихся процессов. Самые дорогие ресурсы выделяются обычно в старшие классы.

В операционной системе, в которой реализовано предотвращение тупиков, ресурсы могут быть классифицированы, например, следующим образом:

K₁ - файлы, открываемые процессом, K₂ - оперативная память ВС, запрашиваемая динамически, K₃ - устройства ввода/вывода.

19. Математическая модель для формального определения тупика. Состояние системы и операции, влияющие на состояние системы. Определение заблокированных процессов, процессов, находящихся в тупике. Определение состояния тупика. Понятие выгодного состояния. Понятие безопасного состояния. Примеры.

Таким образом, были введены математические модели для систем с повторно используемыми и потребляемыми ресурсами. Однако обычно в ВС используются оба типа ресурсов. Для представления таких систем можно объединить введенные выше модели.

Граф обобщенных ресурсов - это ориентированный двудольный граф

RG = (N, E),

где N есть множество вершин:

N =   

( = { p₁ , p₂ , ..., p_n}- конечное множество вершин, представляющих процессы в ВС,  = { R₁ , R₂ , ..., R_m} - множество вершин, соответствующих ресурсам ВС, причем  = _CR  _SR, где _CR - множество вершин, представляющих потребляемые ресурсы, _SR - множество вершин, представляющих повторно используемые ресурсы (_CR  _SR = );    = ), а E - множество дуг графа:

E  (    )  (  ),

причем элементы графа обладают следующими свойствами:

• R_i - вершина, представляющая повторно используемый ресурс R_i_SR, имеет пометку - пару (c_i, t_i ), где c_i - емкость данного ресурса, а t_i - количество единиц ресурса, доступных для распределения (свободных) в данный момент;

• R_i - вершина, представляющая потребляемый ресурс R_i_CR, имеет пометку - неотрицательное целое число t_i, обозначающее число доступных для распределения в данный момент единиц этого ресурса;

• p_j - вершина, представляющая процесс p_j   в системе;

• p_j ^k R_i - дуга (p_j, R_i) с весом |(p_j, R_i)|=k, представляющая вып олненный процессом p_j  , но пока не удовлетворенный запрос на k единиц повторно используемого ресурса R_i  _SR ;

• каждый запрос, выполняемый процессом p_j   на ресурс R_i  _SR, должен удовлетворять ограничению:

| ( p_j , R_i ) |  c_i, - | ( R_i, p_j ) | , то есть сумма выполненных распределений и запросов конкретного повторно используемого ресурса относительно любого из процессов не может превышать общего количества единиц этого ресурса, имеющихся в системе, в противном случае запрос считается ошибочным и не может быть выполнен;

• p_j ^k R_i - дуга (p_j, R_i) с весом |(p_j, R_i) |=k, представляющая выполненный процессом p_j  , но пока не удовлетворенный запрос на k единиц потребляемого ресурса R_i  _CR ;

• R _i ^k p_j - ребро (R_i, p_j) с весом |(R_i, p_j)|=k, представляющее все распределения ресурса R_i  _SR процессу p_j   по его удовлетворенным запросам ; в общей сложности в системе для каждого ресурса R_i  _SR может быть сделано не более чем c_i назначений, то есть

n

 | ( R_i, p_j ) |  c_i ;

j = 1

• для каждого ресурса R_i  _CR существует непустое множество процессов-производителей этого ресурса  (R_i)   и граф обобщенных ресурсов содержит дугу производителя (R_i, p_j) для каждого p_j (R_i) по всем R_i_CR;

R_i p_j - обозначение ребра (дуги) производителя ресурса R_i ;ребра производителя являются постоянными и никогда не уничтожаются.

Процесс p_j заблокирован, если он не способен выполнить ни одну из трех операций, изменяющих состояние системы. Эта ситуация может возникнуть только тогда, когда процесс выдал запросы, которые не могут быть удовлетворены за счет имеющихся в данном состоянии ресурсов, то есть процесс p_j заблокирован, если существует по крайней мере один ресурс R_i такой, что

| ( p_j , R_i ) | > t_i .

Выгодное состояние - это такое состояние системы, в котором все процессы, имеющие запросы, заблокированы.