- •2. Теоретические основы построения операционных систем
- •Процессы и ресурсы
- •2.1.1. Определение процесса
- •Операционная система
- •П роцесс 1 Процесс 2 . . . Процесс n
- •2.1.2. Понятие ресурса
- •2.1.4. Планирование процессов
- •Центральный процессор
- •Центральный процессор
- •2.1.5. Классификация процессов
- •2.1.6. Классификация ресурсов
- •2.1.7. Структуры данных для управления процессами и ресурсами
- •2.1.8. Ядро операционной системы и реализация базовых функций ос
- •2.2. Проблема синхронизации и взаимное исключение
- •2.2.1. Определение и свойства критической секции
- •2.2.2. Программные методы реализации взаимного исключения
- •2.2.3. Синхронизация процессов с помощью семафоров
- •2.2.4. Реализация примитивов взаимоисключения
- •2.2.5. Параллельное программирование и мониторы
- •2.2.6. Рандеву как модель организации взаимодействия процессов
- •2.2.7. Система прохождения сообщений
- •2.2.8. Многозадачность и языки программирования
- •Взаимодействие процессов и синхронизация задач в os/2
- •2.2.10. Организация взаимодействия процессов и потоков в Win32
- •2.3. Проблема тупика
- •2.3.1. Определение тупика
- •Необходимые условия возникновения тупика и решение задачи предотвращения тупика
- •2.3.3. Модель системы для исследования проблемы тупика
- •2.3.4. Методы распознавания тупика
- •2.3.5. Выход из тупика и восстановление работоспособности системы
- •2.3.6. Методы обхода тупиков
2.2. Проблема синхронизации и взаимное исключение
Последовательный процесс - это работа по выполнению программы, производимая последовательным процессором. Если времена существования последовательных процессов при их исполнении хотя бы частично перекрываются, такие процессы становятся “параллельными” и возникает проблема синхронизации использования устройств ВС, доступа к данным со стороны этих процессов. В этом случае процессы могут конкурировать за использование общих ресурсов (как аппаратных, так и информационных), выполняемые ими функции могут зависеть друг от друга и требовать определенной последовательности исполнения для реализации общей работы. Эта проблема становится особенно острой, если процессы являются взаимодействующими.
Проблема реализации взаимного исключения возникает при разделении данных несколькими процессами.
Рассмотрим пример. В ВС существует несколько процессов P1, P2, ... , Pn, каждый из которых увеличивает значение разделяемой (общей) переменной C (например, выполняются программы, обслуживающие некоторые запросы, и требуется считать общее количество выполненных в ВС запросов). Таким образом, в каждой из выполняющихся программ должны быть операторы вида
C := C + 1.
Причем для выполнения этого оператора процесс должен прочитать текущее значение переменной C (обозначим оператор чтения read(C)) и сохранить новое значение этой переменной после увеличения (обозначим операцию записи write(C)). Следовательно, увеличение значения счетчика C выполняется с помощью последовательности из трех (как минимум) операций: чтения (выборки из общей памяти или из общего файла) текущего значения переменной, увеличения значения этой переменной на 1 и сохранения (записи в память или в файл) увеличенного значения:
read(C);
inc(C);
write(C).
Эта последовательность операций выполняется каждым из процессов в ВС, причем процессы выполняются независимо друг от друга, поэтому неизвестен заранее порядок, в котором они подойдут к выполнению этих действий. Следовательно, для любых двух процессов Pi и Pj возможна ситуация, когда указанные операции выполняются в них в следующем порядке:
|
Порядок выполнения операций процессами |
|||
Процесс |
1 |
2 |
3 |
4 |
Pi |
read(C) |
inc(C) |
write(C) |
... |
Pj |
... |
read(C) |
inc(C) |
write(C) |
Таким образом, оба процесса увеличивают значение счетчика на 1, но изменения, которые внес первый процесс, “не замечаются” вторым процессом, и в результате значение увеличивается двумя процессами не на 2, как это должно быть, а на 1, то есть значение счетчика становится неверным в результате несогласованных действий, выполняемых двумя процессами.
Чтобы предотвратить некорректное выполнение конкурирующих за доступ к общим данным процессов, реализуется взаимное исключение, которое не позволит нескольким процессам одновременно обращаться к разделяемым данным.
Примером еще одной проблемы, которая требует решения задачи синхронизации выполнения процессов, является задача “производитель-потребитель” (“писатель-читатель”).
Для организации взаимодействия двух процессов, обмена сообщениями между ними используется буфер, в который сообщения помещаются в виде отдельных записей. Существует два процесса, один из которых является процессом-производителем (“писателем”), помещающим данные в буфер, а второй - процессом-потребителем (“читателем”), считывающим из буфера данные, записанные в него первым процессом, в порядке их размещения в буфере.
Проблема состоит в том, что “читатель” не должен выполнять чтение из пустого буфера, в который еще не поместили информацию, а также не должен считывать одну и ту же информацию дважды; а “писатель” не должен пытаться писать информацию в переполненный буфер или переписывать записи, которые еще не были прочитаны “читателем”.
В данном случае требуется не только организовать взаимное исключение при доступе к общим данным, но и вести учет ресурсов, в качестве которых выступают свободные для записи области буфера (для процесса-производителя) и записи, размещенные в буфере “писателем” (для процесса-потребителя).
Далее рассматриваются различные способы синхронизации выполнения процессов. Эти способы применимы как для организации взаимодействия процессов, выполняющихся на ВС в режиме мультипрограммирования, так и для реализации взаимодействия программ, выполняющихся на различных узлах вычислительной сети.