41. Предотвращение взаимоблокировки. Алгоритм банкира для нескольких видов ресурсов.

Предотвращение взаимоблокировки – это метод проектирования системы, при котором хотя бы одно из условий возникновения тупика (взаимное исключение, удержание и ожидание, невозможность изъятия ресурса, циклическое ожидание) нарушается, чтобы тупик не мог возникнуть.

Для нескольких видов ресурсов используется расширенный алгоритм банкира. Каждый процесс заранее сообщает максимальное количество каждого ресурса, которое он может потребовать. ОС проверяет каждый новый запрос, моделируя выделение ресурсов: если после удовлетворения запроса остаётся безопасное состояние (все процессы смогут завершить выполнение, получив необходимые ресурсы), запрос удовлетворяется; если нет – процесс блокируется до освобождения ресурсов.

Алгоритм позволяет управлять распределением ресурсов нескольких типов одновременно и гарантирует, что взаимоблокировка не возникнет, так как система никогда не допустит состояния, при котором процессам невозможно завершить выполнение.

42. Синхронизирующие объекты ос: системные семафоры, мьютексы, события, сигналы, барьеры, ждущие таймеры.

Синхронизирующие объекты ОС – механизмы для корректного взаимодействия потоков и процессов, контроля доступа к ресурсам и упорядочивания их выполнения.

Семафоры – неотрицательные счётчики, ограничивающие число потоков, одновременно использующих ресурс. Поток уменьшается счётчик при входе и блокируется, если он равен нулю. Бинарные семафоры (0 или 1) реализуют взаимное исключение, счётные – управление несколькими потоками.

Мьютексы – объекты взаимного исключения с двоичным состоянием: свободен (0) или захвачен (1). Только один поток может одновременно войти в критическую секцию. Разница между бинарным семафором и мьютексом в том, что семафор может освобождать любой поток, тогда как мьютекс может быть освобождён только потоком, который его захватил.

События – объекты состояния системы, уведомляющие потоки о наступлении события. Потоки ждут события и разблокируются после его установки.

Сигналы – программные уведомления процесса о событии (например, завершение ввода-вывода). При получении сигнала вызывается обработчик.

Барьеры – механизмы, заставляющие группу потоков ждать друг друга в определённой точке. После того как все достигнут барьера, они продолжают выполнение.

Ждущие таймеры – это объекты, позволяющие потоку приостановить выполнение на заданное время или до наступления определённого события.

43. Организация обмена данными между процессами (каналы, разделяемая память, почтовые ящики, сокеты).

Канал (pipe) – это буфер, позволяющий передавать данные последовательно от одного процесса к другому. Существуют анонимные каналы, работающие только между родственными процессами, и именованные каналы (named pipes), доступные любым процессам в системе. Канал обеспечивает упорядоченную передачу данных и блокирует процесс при попытке чтения из пустого канала или записи в полный.

Разделяемая память (shared memory) – это область памяти, доступная сразу нескольким процессам. Она обеспечивает быстрый обмен данными, так как процессам не требуется копирование через ядро. Для корректного использования разделяемой памяти необходима синхронизация через мьютексы, семафоры или другие объекты.

Почтовые ящики (message queues) – структуры, в которые процессы помещают сообщения для последующего извлечения другими процессами. ОС гарантирует порядок доставки сообщений и их сохранность, а также блокирует процесс при попытке чтения из пустого ящика или отправки в полный.

Сокеты (sockets) – универсальный механизм передачи данных между процессами, как внутри одной системы, так и между разными машинами через сеть. Поддерживают разные протоколы (TCP, UDP), обеспечивают соединение, обмен потоками данных и контроль доставки, что делает их основным средством межпроцессного взаимодействия в распределённых системах.