Пример создания комплекса параллельных взаимодействующих программ, выступающих как самостоятельные вычислительные процессы

Теперь рассмотрим более сложную задачу: пусть параллельно выполняющиеся задачи имеют статус полноценного вычислительного процесса, а не потока и, кроме этого, организуем обращение к соответствующим системным механизмам непосредственно на уровне API. Схема взаимодействия программ для этого примера изображена на рис. 6.7.

Рис. 6.7.Схема № 2 взаимодействия параллельно выполняющихся вычислительных процессов

На этом рисунке программа с именем А в точке 1 порождает сразу четыре парал­лельно выполняющихся задачи (вычислительных процесса): В, С, I и J. Процессы В и С завершаются и должны запустить, в свою очередь, два параллельных процессаDи Е. В точке 2, в которой происходит синхронизация задач В и С, процессы D и Е должны быть запущены той из задач В или С, которая закончит свое выполнение раньше, но только после момента окончания второй. Далее, в точке 3 необходимо запустить программыGи Н. Запускает их первая завершившая свою работу программа (D, Е или I), но дождавшись завершения остальных программ. Точка 4 синхронизирует выполнение процессовF,G, Н иJ, при этом программу К запускает последний из завершившихся процессов.

Для решения поставленной задачи будем использовать соответствующие меха­низмы, описанные нами выше (применительно к OS/2), а именно конвейер (pipe) и семафоры. В нашей задаче через конвейер передается переменная типа

ParentInfo:

struct ParentInfo

{

char ParentName [15];

char LaunchTime [12];

int Number;

}

Parentlnfo– хранит имя программы-предка;LaunchTIme– содержит время запус­ка текущей программы программой-предком (время, когда программа-предок выполнила функциюDosExecPgm);переменная Numberуказывает, для какого числа программ предназначена переменная ParentInfo.

Читать из конвейера мы можем при помощи функции DorRead, но при этом унич­тожается запись в конвейере, и мы обязаны перезаписывать данные в конвейер для других программ. Каждая программа читает данные из конвейера и затем уменьшает значениеNumber. Программа, установившая значение 1, является последней программой, прочитавшей данные из конвейера; она посылает сигнал предку о завершении инициализации необходимых ресурсов. Программа пишет в конвейер данные только в том случае, если именно она будет запускать сле­дующие программы.

Для чтения и записи в конвейер необходимы переменные WriteHandleиReadHandle, указывающие на описатели записи и чтения в конвейер. Необходимо, чтобы зна­чения этих переменных, полученных в процессе А, были известны остальным процессам для совместного использования. Для этого значения этих переменных мы можем передать процессам-потомкам в качестве строк аргументов.

При попытке считывания информации из пустого конвейера процесс переводит­ся в состояние ожидания. После записи информации в конвейер другим процессом ожидающий процесс считывает поступившую информацию и продолжает свою работу.

Поскольку программы, которые мы сейчас рассматриваем, созданы для операци­онной системы OS/2, приведём краткое описание использованных механизмов, которые имеют отличия от вышеописанных общих принципов и схем.

 Функция создания семафора:

DosCreateEventSem (“\\SEM\\PIPESEM”, &PipeSem, 1, 0);

где "\\SEM\\PIPESEM"– имя семафора,PipeSem– идентификатор семафора,1– параметр совместного использования семафора (DC_SEM_SHARED),0– зарезер­вированный системный параметр.

 Функция открытия семафора:

DosOpenEventSem ("\\SEM\\PIPESEM", &PipeSem);

где ''\\SEM\\PIPESEM"– имя семафора,PipeSem– идентификатор семафора.

 Функция установки семафора:

DosPostEventSem (PipeSem);

где PipeSem– идентификатор семафора.

 Функция сброса семафора:

DosResetEventSem (PipeSem, &NPost);

где PipeSem– идентификатор семафора,NPost– количество обращений к установке семафора с момента последнего сброса.

 Функция ожидания установки семафора:

DosPostEventSem (PipeSem, -1):

где PipeSem– идентификатор семафора,-1– ожидание семафора до его установки (положительное значение – это задержка в миллисекундах).

Для синхронизации процессов и обработки критических участков программ не­обходимы семафоры, к которым имеют доступ все работающие программы. Программа-потомок может унаследовать семафор от программы-предка, которая создала или открыла необходимый семафор. Но это произойдет только тогда, когда программа-предок дождётся момента открытия семафора в программе-по­томке. Это обеспечивается за счёт дополнительных семафоров ExitSem1, ExitSem2, ExitSem3. Когда последняя программа-потомок прочитывает данные из конвейера (работа с конвейером) и обнаруживает, что она последней прошла участок открытия уже созданных семафоров, она устанавливает необходимый семафор, принадлежащий программе-предку. Программа-предок, ожидающая установки семафора, завершает свою работу.

Для управления запуском и завершением программ также используются соответствующие функции.

DosExecPgm (FailFile, sizeof( FailFile), 1, Argument, 0, ResCode, "progr_b.exe")– функция запуска программы-потомка, где

 FailFile– буфер для помещения имени объекта, из-за которого возникла ошиб­ка запуска программы,sizeof( FailFile)– размер буфера;

 1означает, что процесс-потомок следует выполнять асинхронно с процессом-предком,Argument– строки аргументов программы,0– строки среды,ResCode– результирующие коды запуска программы,"progr_b.exe"– имя запускаемой (планируемой на выполнение) программы;

 DosExit– функция завершения процесса (и всех его подпроцессов);

 DosSetPriority– установка приоритета программы (и всех его подпроцессов).

Каждую программу в соответствии с заданием создаём как независимую, то есть имеющую своё локальное адресное пространство. Благодаря этому переменные в текстах программ, имеющие одинаковые имена (см. листинги в приложении Б), фактически являются разными переменными. Программа с именем А является начальной, стартовой. Именно она создаёт те системные объекты, которыми потом пользуются её потомки для своей синхро­низации. Имена системных объектов они получают в наследство при своём по­рождении.

Для совместного использования вычислительными процессами одного файла необходимо правильно его открыть в программе А. После корректного открытия или создания файла к нему могут обращаться все программы, имеющие идентификатор открытого файла. Значение этого идентификатора передается запускающимся процессам в строке аргументов, сопровождающих вызов.

В соответствии с заданием каждая программа записывает в файл время своего запуска, имя процесса-предка и время завершения своей работы. Поскольку файл используется всеми программами и запись производится в строгой последовательности, часть программы, которая обеспечивает запись в файл, должна быть признана нами как критический участок программы (критический интервал). Алгоритм обработки этого участка описан ниже. Если не пытаться регулировать доступ процессов к файлу, может возникнуть беспорядочная запись в файл. При регулировании записи каждый процесс производит сразу все три записи в файл.

Опишем теперь алгоритм обработки критических участков программ – записи в файл и работы с конвейером.

 Критический участок – работа с конвейером.

Приведем фрагмент программы, обеспечивающий чтение из конвейера.

1: do { DosWaitEventSem (PipeSem, -1);

2: rc=DosResetEventSem (PipeSem, &NPost);

3: } while (rc!=0);

4: DosRead(ReadHandle,(PVOID)&OldInform,sizeof(Oldlnform),

BytesReaden);

5: DosPostEventSem(PipeSem);

Программа А создает семафор PipeSem, который затем используют все программы для прохождения критической части программы, связанной с чтени­ем и записью в конвейер.

В строке 1 программа ожидает установки семафора PipeSem; после того как этот семафор будет установлен, программа переходит к строке 2. Переменнаяrcвозвращает код ошибки при попытке сбросить семафор в строке 2. Это сде­лано со следующей целью: если после завершения строки1будет выполнять­ся другая программа и она успеет сбросить семафор, то когда программа вновь продолжит своё выполнение, она обнаружит в строке 2, что семафор уже сброшен иrcне будет равно нулю; затем цикл повторится. Так будет про­должаться до тех пор, покаrcне станет равно нулю, то есть текущая програм­ма первой сбросила семафор. Тогда в строке 4 программа считывает из кон­вейера данные и сигнализирует об освобождении ресурса в строке 5.

Для записи в конвейер используется аналогичный алгоритм.

 Критический участок –запись в файл.

Здесь использован такой же алгоритм, как и при работе с конвейером, но задействован специально созданный для этого семафор FileSem. Теперь рассмотрим алгоритмы, решающие задачи синхронизации в каждой из точек нашей схемы (см. рис. 6.7). Начнем с прохождения точки 2. Приведём фрагмент исходного текста программы (см. приложение Б).

1: rc=DosPostEventSem(Point1Sem) :

2: if (rc==0)

3: { DosWrite(WriteHandle, (PVOID)&NewInform, sizeof(NewInform), &BytesWr1tten);

4: DosCreateEventSem("\\SEM32\\EXITSEM2", &ExitSem2, DC_SEM_SHARED, 0);

5: DosExecPgm(FailFileb, sizeof(FailFileb), 1, Argument, 0, &ResCodeb, "progr_d.exe");

6: DosExecPgm(FaiIFileb, sizeof(FailFileb), 1, Argument, 0, &ResCodeb, "progr_e.exe");

7: DosExecPgm(FailFileb, sizeof(FailFileb), 1, Argument, 0, &ResCodeb, "progr_f.exe");

8: DosWaitEventSem(ExitSem2, -1);

9: DosCloseEventSem(ExitSem2); }

В точке 2 программы D, Е, иFдолжны быть запущены процессом, который пер­вым завершит свою работу. Для определения последовательности завершения работы программ (В или С) нами используется семафорPoint1Sem. В строке 1 производится установка данного семафора. Если значениеrcне равно нулю, значит, семафор уже установлен, то есть текущая программа не первой завершила свою работу. Еслиrcравно нулю, то текущая программа закончила работу пер­вой и осуществляется переход к строке 3. В строке 3 осуществляется запись в конвейер. Строка 4 – создание семафора ожидания. Этот семафор используется для ожидания открытия семафоров в программах-потомках. Ожидание откры­тия семафоров происходит в строке 8, затем семафор закрывается. В строках 5–7 осуществляется запуск программ D, Е, F.

Теперь приведём алгоритм прохождения точки 3. Фрагмент исходного текста программы изображен ниже.

1: rc=DosPostEventSem(Point2Sem);

2: if (гс==0)

3: { do{ DosQueryEventSem(Point2Sem, &BytesWritten);

4: }while (BytesWritten<=2);

5: DosWrite(WriteHandle, (PVOID)&NewInform, sizeof(NewInform),

&BytesWritten);

6: DosCreateEventSem("\\SEM32\\EXITSEM3", &ExitSem3,

DC_SEM_SHARED, 0);

7: DosExecPgm(FailFileb, sizeof(FailFileb), Argument, 0, &ResCodeb,

"progr_g.exe");

8: DosExecPgm(FailFileb, sizeof(FailFileb), Argument, 0, &ResCodeb,

"progr_h.exe");

9: DosWaitEventSem(ExitSem3, -1);

В точке 3 программы Gи Н запускаются той программой, которая первой завер­шает свою работу, но только после того, как работу завершат остальные програм­мы. Для определения последовательности завершения работы программ (I,Dили Е) используется семафорPoint2Sem. В строке 1 производится установка данного семафора. Если значениеrcне равно нулю, значит, семафор уже установлен, то есть текущая программа не первой завершила свою работу. Еслиrcравно нулю, то текущая программа закончила работу первой и осуществляется переход к строке 3. В этой строке подсчитывается количество обращений к данному семафору. Цикл повторяется до тех пор, пока количество обращений не станет равно 3, то есть когда все остальные программы завершили свою работу. После этого в строке 5 осуществляется запись в конвейер. Строка 6 – создание семафо­ра ожидания. Этот семафор используется для ожидания открытия семафоров в программах-потомках. Ожидание открытия семафоров происходит в строке 9. В строках 7 и 8 осуществляется запуск программGи Н соответственно.

Наконец, приведём ещё алгоритм прохождения точки 4. Фрагмент исходного текста программы, реализующей эту задачу, приведён ниже.

1: do { DosWaitEventSem(Point1Sem, -1);

2: rc=DosResetEventSem(Point1Sem, &BytesReaden);

3: } while (rc!=0);

4: DosPostEventSem(Point3Sem);

5: DosQueryEventSem(Point3Sem, &BytesWritten);

6: DosPostEventSem(Point1Sem);

7: if (BytesWritten==4)

8: { DosWrite(WriteHandle, (PVOID)&NewInform, sizeof(NewInform),

&BytesWritten);

9: DosCreateEventSem("\\SEM32\\EXITSEM4", &ExTtSem4,

DC_SEM_SHARED, 0);

10: DosExecPgm(FailFileb, sizeof(FailFileb), 1, Argument, 0, &ResCodeb,

"progr_k.exe"):

11: DosWaitEventSem(ExitSem4, -1);

Итак, в точке 4 программа К запускается задачей, которая последней завершила свою работу. Для определения последовательности завершения работы программ (J,G, Н илиF) используется семафорPoint3Sem. Каждая программа должна обра­титься к данному семафору, установить его и проверить количество обращений к нему. Но при выполнении этих двух операций другие программы могут также установить семафор, и значение обращений к семафору в текущей программе окажется неверным. Для доступа к семафоруPoint3Semиспользуется семафорPoint1Sem. В строке 1 программа ожидает установки семафораPoint1Sem, который сигнализирует о доступности неразделяемого ресурсаPoint3Sem. В строке 2 сема­фор сбрасывается, но если другие программы успели сбросить семафор, то об этом сообщит значениеrc. Если текущей программе удалось завладеть ресурсом, то есть значениеrcравно нулю, то дальше в строках 4, 5 производится установка семафораPoint3Sem и подсчёт количества обращений. Строка 6 сигнализирует о завершении работы критической части программы установкой семафораPoint1Sem. Затем, как и в предыдущих алгоритмах, программа записывает информацию в транспортёр (строка 8), создает семафор ожидания открытия семафоров в про­граммах-потомках (строка 9), запускает программу К (строка 10) и ожидает открытия семафоров в программе К (строка 11).

Тексты четырех программ (А, В, Dи G), действующих по рассмотренным алго­ритмам, приведены в приложении Б. Остальные программы аналогичны им и отличаются только использованием других имён.