2.Основная часть

2.1 Описание методологии мониторов

Мониторы являются механизмом абстракции данных. Монитор инкапсулирует представление абстрактного объекта и обеспечивает набор операций, с помощью которых оно обрабатывается. Монитор содержит переменные, хранящие состояние объекта, и процедуры, реализующие операции над ним. Процесс получает доступ к переменным в мониторе только путем вызова процедур этого монитора. Взаимное исключение обеспечивается неявно тем, что процедуры в одном мониторе не могут выполняться параллельно. Это похоже на неявное взаимное исключение, гарантируемое операторами await. Условная синхронизация в мониторах обеспечивается явно с помощью условных переменных (condition variable).

Параллельная программа, использующая мониторы для взаимодействия и синхронизации, содержит два типа модулей: активные процессы и пассивные мониторы. При условии, что все разделяемые переменные находятся внутри мониторов, два процесса взаимодействуют, вызывая процедуры одного и того же монитора. Получаемая модульность имеет два важных преимущества. Первое — процесс, вызывающий процедуру монитора, может не знать о конкретной реализации процедуры; роль играют лишь видимые результаты вызова процедуры. Второе — программист монитора может не заботиться о том, где и как используются процедуры монитора, и свободно изменять его реализацию, не меняя при этом видимых процедур и результатов их работы. Эти преимущества позволяют разрабатывать процессы и мониторы относительно независимо, что облегчает создание и понимание параллельной программы.

Благодаря своей полезности и эффективности мониторы применяются в нескольких языках программирования. Лежащие в основе мониторов механизмы синхронизации (неявное исключение и условные переменные для сигнализации), реализованы также в операционной системе Unix. Наконец, условные переменные поддерживаются несколькими библиотеками программирования.

2.2 Синтаксис и семантика

Монитор используется, чтобы сгруппировать представление и реализацию разделяемого ресурса (класса). Он состоит из интерфейса и тела. Интерфейс определяет предоставляемые ресурсом операции (методы). Тело содержит переменные, представляющие состояние ресурса, и процедуры, реализующие операции интерфейса.

В разных языках программирования мониторы объявляются и создаются по-разному. Для простоты будем считать, что монитор является статичным объектом, а его тело и интерфейс описаны таким образом:

monitor mname {

объявления постоянных переменных

операторы инициализации

процедуры

}

Процедуры реализуют видимые операции. Постоянные переменные разделяются всеми процедурами тела монитора. Они называются постоянными, поскольку существуют и сохраняют свое значение, пока существует монитор. В процедурах, как обычно, можно использовать локальные переменные, копии которых создаются для каждого вызова функции.

Монитор как представитель абстрактных типов данных обладает тремя свойствами. Во-первых, вне монитора видны только имена процедур — они представляют собой одно единственное "окно в стене" объявления монитора. Таким образом, чтобы изменить состояние ресурса, представленное постоянными переменными, процесс должен вызвать одну из процедур монитора. Вызов процедуры монитора имеет следующий вид:

call mname.opname(arguments)

Здесь mname — имя монитора, opname — имя одной из его операций (процедур), вызываемой с аргументами arguments. Если имя opname уникально в области видимости вызывающего процедуру процесса, то часть "mname" в вызове процедуры не обязательна.

Во-вторых, операторы внутри монитора (в объявлениях и процедурах) не могут обращаться к переменным, объявленным вне монитора.

В-третьих, постоянные переменные инициализируются до вызова его процедур. Это реализовано путем выполнения инициализирующих операторов при создании монитора и, следовательно, до вызова его процедур.

Одно из привлекательных свойств монитора, как и любого абстрактного типа данных, — возможность его относительно независимой разработки. Это означает, однако, что программист монитора может не знать заранее порядка вызова процедур.

Поэтому полезно определить предикат, истинный независимо от порядка выполнения вызовов. Инвариант монитора — это предикат, определяющий "разумные" состояния постоянных переменных, когда процессы не обращаются к ним. Код инициализации монитора должен создать состояние, соответствующее инварианту, а каждая процедура должна его поддерживать. (Инвариант монитора аналогичен глобальному инварианту, но для переменных в пределах одного монитора.) Инварианты мониторов включены во все примеры главы. Строка инварианта начинается символами ##.

Монитор отличается от механизма абстракции данных в языках последовательного программирования тем, что совместно используется параллельно выполняемыми процессами. Поэтому, чтобы избежать взаимного влияния в процессах, выполняемых в мониторах, может по требоваться взаимное исключение, а для приостановки работы до выполнения определенного условия — условная синхронизация. Рассмотрим, как процессы синхронизируются в мониторах.