6.4.2. Реализация семафоров и передачи сообщений с помощью мониторов

Нам достаточно показать, что с помощью мониторов можно реализовать семафоры, так как, из семафоров получить сообщения мы уже умеем.

Самый простой способ такой реализации выглядит следующим образом. Заведем внутри монитора переменную-счетчик, связанный с эмулируемым семафором список блокируемых процессов и по одной условной переменной на каждый процесс. При выполнении операции P над семафором вызывающий процесс проверяет значение счетчика. Если оно больше нуля, уменьшает его на 1 и выходит из монитора. Если оно равно 0, процесс добавляет себя в очередь процессов, ожидающих события, и выполняет операцию wait над своей условной переменной. При выполнении операции V над семафором процесс увеличивает значение счетчика, проверяет, есть ли процессы, ожидающие этого события, если есть, удаляет один из них из списка и выполняет операцию signal для условной переменной, соответствующей процессу.

6.4.3. Реализация семафоров и мониторов с помощью очередей сообщений

Покажем, наконец, как реализовать семафоры с помощью очередей сообщений. Для этого воспользуемся более хитрой конструкцией, введя новый синхронизирующий процесс. Этот процесс имеет счетчик и очередь процессов, ожидающих включения семафора. Для того чтобы выполнить операции P и V, процессы посылают синхронизирующему процессу сообщения, в которых говорится, чего они желают, после чего ожидают получения подтверждения от синхронизирующего процесса.

После прибытия сообщения синхронизирующий процесс проверяет значение счетчика, чтобы выяснить, можно ли совершить требуемую операцию. Операция V всегда может быть совершена, в то время как операция P может потребовать блокирования процесса. Если операция может быть совершена, то она выполняется, и синхронизирующий процесс посылает подтверждающее сообщение. Если процесс должен быть блокирован, то его идентификатор заносится в очередь блокированных процессов и подтверждение не посылается. Позднее, когда кто-либо из других процессов выполнит операцию V, один из блокированных процессов удаляется из очереди ожидания и получает соответствующее подтверждение.

Поскольку мы показали ранее, как из семафоров построить мониторы, мы доказали эквивалентность мониторов, семафоров и сообщений.

6.5. Резюме

Для организации синхронизации процессов могут применяться специальные механизмы высокого уровня, блокирующие процесс, ожидающий входа в критическую секцию или наступления своей очереди для использования совместного ресурса. К таким механизмам относятся семафоры, мониторы и сообщения. Все эти конструкции являются эквивалентными, т. е. используя любую из них, можно реализовать две оставшихся.

Глава 7. Тупики

7.1 Введение

В предыдущих главах рассмотрены способы синхронизации процессов, которые позволяют процессам успешно кооперироваться. Однако  если средствами синхронизации пользоваться неосторожно, то могут возникнуть непредвиденные затруднения. Предположим, что несколько процессов конкурируют за обладание конечным числом ресурсов. Если запрашиваемый процессом ресурс недоступен, процесс переходит в состояние ожидания. В случае если  требуемый ресурс удерживается другим ожидающим процессом, то  первый процесс не сможет сменить свое состояние. Такая ситуация называется тупиком.  Говорят, что в мультипрограммной системе процесс находится в состоянии тупика, дедлока (deadlock) или клинча, если он ожидает события, которое никогда не произойдет.  Системная тупиковая ситуация или зависание системы является следствием того, что один или более процессов находятся в состоянии тупика.

Рассмотрим пример.  Предположим, что два процесса осуществляют вывод с ленты на принтер. Один из них успел монополизировать ленту и претендует на принтер, а другой наоборот.  После этого оба процесса оказываются заблокированными в ожидании второго ресурса (см. рис. 7.1)

                                                               Рис. 7.1. Пример тупиковой ситуации.

Тупики также могут иметь место в ситуациях, не  требующих выделенных ресурсов.  Например, в системах  управления базами данных процессы могут локализовывать записи, чтобы избежать гонок (см. главу "Синхронизация процессов"). В этом случае  может получиться так, что один из процессов заблокировал записи, требуемые другому процессу и наоборот. Т.о. тупики могут иметь место, как на аппаратных, так и на программных ресурсах.

Другой пример возникновение тупика в системах спулинга. Режим спулинга ввод-вывод с буферизацией информации, предназначенной для печати, на диске и организации очереди на печать  часто применяется для повышения производительности системы. Программа, осуществляющая вывод на печать должна полностью сформировать свои выходные данные в промежуточном файле, после чего начинается реальная распечатка. В итоге, несколько заданий может оказаться в тупиковой  ситуации, если предусмотренная емкость буфера для промежуточных файлов будет заполнена до того, как одно из заданий закончит свою работу. Возможные решения: увеличить размер буфера, или не принимать дополнительные задания, если файл спулинга близок к какому то порогу насыщения, например, заполнен на 75%.

Определение. Множество процессов находится в тупиковой ситуации, если каждый процесс из множества ожидает события, которое только другой процесс данного множества может вызвать. Так как все процессы чего-то ожидают, то ни один из них не сможет инициировать событие, которое разбудило бы другого члена множества и, следовательно, все процессы будут спать вместе. Обычно событие, которого ждет процесс в тупиковой ситуации - освобождение ресурса.

Далее в тексте данной главы будут обсуждаться вопросы, обнаружения, предотвращения, обхода тупиков и восстановления после тупиков.  Рассматривается также тесно связанная проблема бесконечного откладывания, которое может происходить из-за дискриминационной политики планировщика ресурсов. Во многих случаях цена борьбы с тупиками, которую приходится платить высока.  Тем не менее,  для ряда систем, например для систем реального времени, нет иного выхода.