-
Проблема «Производитель-потребитель». Общие семафоры.
Взаимодействие параллельных процессов основано на решении трех проблем:
1. Синхронизация 2-х и более процессов
2. Проблема «производитель - потребитель»
3. Проблема взаимных блокировок
Проблема «производитель - потребитель» возникает при взаимодействии асинхронных параллельных процессов, использующих потребляемые («расходуемые») ресурсы.
Все ресурсы вычислительной системы делятся на 2 типа:
-
SR – повторно используемые (все аппаратный ресурсы (устройства, каналы сязи, память), преоперабельные процедуры, неизменяемые ресурсы структуры данных - после использования возвращаются в систему в неизменном виде).
-
CR – потребляемые (изменяемые структуры данных и процедуры, а также все сообщения и сигналы, информационные ресурсы, программные, т.е. не могут возвратиться с систему в неизменном виде).
SR ресурсы: после освобождения процессом возвращаются в систему в неизменном виде для дальнейшего использования.
СR ресурсы: не возвращаются в систему или возвращаются в изменённом виде
Некоторые процессы в системе генерируют потребляемые ресурсы определенного типа, другие их потребляют. Необходима синхронизация процессов производителя и потребителя по каждому из ресурсов CR-типа. Это решается с помощью общих семафоров.
Данная проблема решается с помощью общих семафоров.
Общий семафор – целочисленная переменная, принимающая значения 0 ≤ x ≤ n.
Операции определенные над семафорами.
|
P(x) |
x-1, если x > 0 |
|
0, если x = 0 – перевод процесса в режим ожидания (уменьш. на 1) |
|
|
V(x) |
x+1, если x < n (увелич. на 1) |
|
x, если x = n |
П
роцесс-производитель
перед генерацией CR-ресурса
выполняет над общим семафором V
операцию, а процесс-потребитель – P
операцию. Т.о. осуществляется их
синхронизация.
Если семафор закрыт, то процесс
производитель приходит в состояние
ожидания. Общий семафор имеет физический
смысл:
-
Проблема взаимных блокировок (тупиков).
- Статические (анализ текста программы).
- Динамические
-
Обнаружение с последовательным выходом из тупика
-
Прекращение: 1)Ручной выход; 2)Автоматический
-
Перехват ресурсов
-
-
Методы предотвращения
-
Метод упорядоченных классов
-
Алгоритм банкира
-
Статические методы – методы одного решения. Применяются в системах, где простые алгоритмы, число параллельных процессов ограничено. Метод анализа текста программы основан на просмотре опасных участков в программе ,в которых имеются запросы на ресурсы системы. В настоящее время разработана теоретические основы анализа этих участков. Используется в основном в системах, в которых функционирует ограниченное количество параллельных процессов, ограничено кол-во ресурсов и жестко заданы алгоритмы для каждого процесса (системы, где заранее известно как будут исп. ресурсы).
Методы предотвращения – используются в системах, где недопустимо возникновение тупиковых ситуаций. В настоящее время эти методы представлены в основном методом упорядочивания классов (предварительно распределения всех ресурсов системы по классам). Каждому такому классу ставится в соответствие вес от 1 до N и любой процесс может получить ресурс класса L, только если до этого он получит все ресурсы класса L-1. Процессам навязывается порядок использования ресурсов системы. Это приводит к тому, что в графе состояния системы никогда не может возникнуть цикла, т.е. по теореме о тупике система никогда не войдёт в тупиковое состояние. Недостатки: навязывание процессам жесткого порядка в использовании ресурсов, что снижает эффективность системы в целом. Используется в системах с достаточным количеством ресурсов, в которых допустимо плавное снижение эффективности.
Прекращение процессов
- с ручным выходом: ограниченное количество ресурсов, в которых можно найти косвенные критерии попадания системы в тупик (например, существенное увеличение времени выполнения процесса)
- с автоматическим выходом: в системах с большим числом параллельных процессов и ресурсов, и в которых невозможно определить косвенный критерий.
Минимальная цена выхода (Прекращение процессов с автоматическим выходом)
-
Р1 С1
……….
Рn Сn
Pn – параллельные процессы
Cn – цена, внешняя, динамически назначаемая.
Цена отображает ценность процесса.
Затем формируется шкала цен для всех процессов и всех сочетаний.
Р1 + Р2 С1 + С2
…………………..
Полученная шкала сортируется по возрастанию.
Алгоритм
-
Если система находится в тупиковом состоянии, то в шкале цен помечаются процессы, входящие в тупиковое множество.
-
Моделируется состояние системы, если прекратить процесс с минимальной ценой.
-
Затем снова анализируется граф состояний. Если система выходит из тупика – алгоритм заканчивается, и выдаётся команда на прекращение процесса.
-
Если система не выходит из тупика, то восстанавливается предыдущее состояние и выбирается другая группа процессов.
Алгоритм банкира: в алгоритме Банкира (на основе априорной информации о процессах и ресурсах) перед выполнением каждой элементарной операции (операция запроса на ресурс SR типа, CR типа или освобождения ресурса CR типа) проверяется новое состояние системы.
В случае удовлетворения этого запроса - если состояние безопасное, то запрос удовлетворяется, в противном случае - нет.
В
се
состояния системы делятся на три
категории:
Безопасными (БС) будут считаться состояния, из которых возможен переход при выполнении элементарной операции только в другое безопасное состояние или в опасное состояние.
Опасными (ОС) считаются состояния, из которых возможен переход в тупиковое состояние.
Из тупикового (ТС) состояния невозможен переход ни в какое другое состояние.
В алгоритме реализована стратегия принятия решения о предоставлении ресурса по запросу только если система после удовлетворения запроса продолжает оставаться в опасном состоянии. Основой для принятия решений в алгоритме Банкира является анализ информации о максимальной потребности процессов в каждом из процессов системы.
Недостаток: высокий % необоснованных отказов в удовлетворении запросов на ресурсы, а также высокие собственные затраты вычислительных ресурсов на реализацию этого алгоритма.
Алгоритм банкира исключает попадания системы в опасные состояния. Перед началом работы каждый процесс в системе должен сообщить свои максимальные потребности в ресурсах каждого класса. Алгоритм банкира моделирует будущие состояния системы, если удовлетворяется запрос процесса на ресурс или другая элементарная операция.
Алгоритм банкира состоит из двух частей:
-
Первая часть определят тип будущего состояния (удовлетворение запроса на ресурс).
-
Вторая часть принимает решения и корректирует (модель определение типа состояния).