3.3.6. Мониторы

Семафорам при всех их достоинствах присущ и серьёзный недостаток: они слишком примитивны и не содержат непосредственных указаний ни на синхронизирующее условие, с которым он связан, ни на критический ресурс, который он контролирует. Поэтому алгоритмы решения задач, использующих сложные схемы синхронизации, становятся непростыми, не наглядными и сложными в доказательстве их правильности.

Более лучшее решение вопроса о взаимном исключении в 80-х гг. прошлого века предложил Ч. Хоар. Он предложил механизм мониторов. Монитором в параллельном программировании называют пассивный набор разделяемых переменных и повторно входимых процедур (см. раздел 1.6). Повторно входимые процедуры обеспечивают доступ к разделяемым переменным. В каждый момент времени монитором может пользоваться только один процесс. Процедуры монитора исполняются только по требованию процессов.

Монитор, по существу, является планировщиком критического ресурса. Повторная входимость процедур планировщика нужна потому, что к монитору могут обращаться многие процессы ещё до завершения обслуживания им текущего процесса, а вход в монитор осуществляется под жёстким контролем, осуществляющим взаимное исключение задач. Из всех процессов, желающих войти в монитор, разрешение получает только один, остальным в доступе отказывается, причём сам монитор блокирует процесс и определяет условие ожидания. Сам же монитор отслеживает выполнение условия ожидания и активизирует процесс.

Пример реализации простейшего монитора для выделения процессам одного ресурса показан на рис. 3.7 [1].

monitor Resource; condition free; var busy: boolean;	{заголовок описания монитора} {условие ожидания – свободный} {описание переменной занят}
Procedure REQUAEST; begin if busy then WAIT(free); busy:=True; TakeOff end;	{заголовок процедуры Запрос ресурса} {если монитор занят, то блокировать вызвавший} {процесс до сигнала Свободен} {перевод монитора в состояние Занят} {предоставить ресурс ожидающему процессу}
Procedure RELEASE; begin TakeOn; busy:=False; SIGNAL(free); end;	{заголовок процедуры Освободить ресурс} {взять предоставленный ресурс} {освободить монитор} {послать сигнал Свободен ожидающим процессам}

Рис. 3.7. Пример реализации простейшего монитора

Исполняющийся процесс запрашивает ресурс, вызывая процедуру REQUAEST. Если монитор занят (busy:=True), то процесс блокируется и ставится в очередь ожидания. Дальнейшее выполнение процедуры откладывается. Если монитор свободен, то он переводится в состояние "Занят" и предоставляет критический ресурс вызвавшему REQUAEST процессу.

Процесс, использующий ресурс, вызывает процедуру RELEASE, забирает его в своё пользование. Использовав ресурс, процесс переводит монитор в состояние "Свободен" и подаёт сигнал "Свободен" ожидающим процессам. Рано или поздно очередь пользования ресурсом дойдёт до отложенного процесса, по сигналу "Свободен" он снова сделает попытку вызывать REQUAEST и, в конце концов, получит в своё распоряжение критический ресурс.

По сравнению с семафорами мониторы имеют следующие преимущества:

• высокая гибкость, т.е. способность мониторов приспосабливаться к новым задачам;

• локализация разделяемых переменных и процедур внутри тела монитора, что позволит не применять сложные малопонятные конструкции в синхронизируемых процессах;

• возможность использования несколькими процессами одних и тех же программных модулей, чего не позволяют делать семафоры.

Указанные преимущества позволяют значительно упростить синхронизацию взаимодействующих процессов и сделать её наглядной ценой незначительной потери эффективности.