Синхронизация процессов и потоков: гонки и тупики
Необходимость синхронизации и гонки
Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже краху систем.
Возможность возникновения таких ситуаций рассмотрим на примере рис. 1
Рис. 1. Возникновение гонок при доступе к разделяемым данным
Рис. 2. Влияние относительных скоростей потоков на результат
решения задачи
Таким образом, анализирую диаграмму a) b) c) рис.2, можно сказать, что взаимодействие, а, следовательно, правильный результат работы потоков будет обеспечен в случае с), что возможно только тогда, когда выполнение поток B будет искусственно заторможено, т.е. скорости выполнения потоков будут согласованы.
Сложность проблемы синхронизации кроется в нерегулярности возникающих ситуаций. Ситуации подобные той, когда 2 или более потоков обрабатывают разделяемые данные, и результат зависит от скоростей потока, называют гонками.
Тупики
Тупик (взаимная блокировка, дедлок, клинч) – ситуация многозадачной системы, при которой несколько процессов находятся в бесконечном ожидании ресурсов захваченных самими этими процессами. Таким образом, если в рисунке 1 переставить местами P(e) и P(b), то ни один из потоков не сможет завершить начатую работу, в случае, если на этот момент времени не окажется свободных буферов, т.е. возникнет тупиковая ситуация, которая не может быть разрешена без внешнего воздействия.
Рис. 1. Использование семафоров для синхронизации потоков
Рис. 3. Возникновение взаимных блокировок
при выполнении программы
Другой пример тупика изображен на рисунке 3. На этом рисунке диаграмма Б демонстрирует возникновение тупика. В этом случае после выполнения процедуры А1 захвата порта, получивший управление поток В не может выполнить процедуру Б2 захват порта, т.к. портом владеет находящийся в состоянии ожидания поток А, который в свою очередь не может занять диск, т.е. процедуру А2, т.к. диском владеет, находящийся в состоянии ожидании, поток Б. На диаграмме В показан случай очереди, когда поток Б не может выполнить процедуру Б1 и откладывает ее нерационально используя свой квант времени, до тех пор пока поток А не освободит сначала порт, потом диск А3, А4. На диаграмме Г показан случай нормальной синхронизации критических секций взаимодействующих потоков, в этом случае не возникает ни тупиков, ни очередей.
Возникновение тупиков может происходить и при большем значении, чем 2 взаимодействующих потоков, причем вероятность возникновения тупиков в этом случае выше.
На рисунке 4 показан случай тупиков для нескольких потоков.
Рис. 4. Взаимная блокировка нескольких потоков
Показанная ситуация, когда 4 потока образуют тупик, вынужденно, перейдя в состояние ожидания из-за необходимости получения ресурсов, удерживаемых другими потоками.
Возникновение тупиков и необходимость их предотвращения снижает производительность системы, поэтому ОС должна предоставить средства:
Распознавания тупиков
Снятие взаимных блокировок
Восстановление нормального вычислительного процесса
Существует формальные, программно-реализуемые методы распознавания тупиков. Они основаны на введение таблиц распределение ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Если тупиковая ситуация возникла, то:
Необязательно снимать с выполнения все разблокируемте потоки.
Можно ввернуть некоторые потоки в область подкачки
Можно совершить откат некоторых потоков до так называемой контрольной точки. Эти точки расставляются в программах в местах возможного возникновения тупиков