1.4. Задача взаимного исключения

Задача взаимного исключения является одной из ключевых проблем параллельного программирования. Было предложено много способов решения этой проблемы.

Взаимоисключение одновременного доступа процессов к данным необходимо применить при работе нескольких параллельных процессов с общими данными. При этом участки программ процессов для работы с разделяемыми данными образуют так называемые критические области (секции).

Операционная система может в любой момент вытеснить поток Р и подключить к процессору другой, но ни один из потоков, которым нужен занятый потоком Р ресурс, не получит процессорное время до тех пор, пока поток Р не выйдет за границы критической секции.

1.5. Задача «производитель-потребитель»

Имеется большое число вариантов постановки и решения такой задачи в рамках конкретных операционных систем. В общем случае взаимодействуют несколько процессов с жестко распределенными между ними функциями. Одни процессы вырабатывают сообщения, предназначенные для восприятия и обработки другими процессами.

Процесс, вырабатывающий сообщения, называют производителем, а воспринимающий сообщения – потребителем. Процессы взаимодействуют через некоторую обобщенную область памяти, которая по смыслу является критическим ресурсом. В эту область процесс-производитель должен поместить очередное сообщение, а процесс-потребитель должен считывать

очередное сообщение.

Общий вид постановки задачи «производитель-потребитель». Необходимо согласовать работу двух процессов при одностороннем (в простейшем случае) обмене сообщениями по мере развития процессов таким образом, чтобы удовлетворить следующим требованиям:

- выполнять требования задачи взаимного исключения по отношению к критическому ресурсу – обобщенной памяти для хранения сообщения;

- учитывать состояние обобщенной области памяти, характеризующей возможность или невозможность посылки (принятия) очередного сообщения;

- попытка процесса-производителя поместить очередное сообщение в область, из которой не было считано предыдущее сообщение процессом-потребителем, должна быть блокирована.

Процесс-производитель должен быть:

✓ либо оповещен о невозможности помещения сообщения;

✓ либо переведен в состояние ожидания возможности поместить очередное сообщение через некоторое время в область памяти, по мере ее освобождения;

- попытка процесса-потребителя считать сообщение из области в ситуации, когда процесс-производитель не поместил туда очередного сообщения, должна быть заблокирована. Процесс-потребитель должен быть:

✓ либо оповещен о невозможности считывания сообщения;

✓ либо переведен в состояние ожидания поступления очередного сообщения;

- если используется вариант с ожиданием изменения состояния обобщенной области для хранения сообщений, необходимо обеспечить перевод ожидающих процессов в состояние готовности всякий раз, когда изменится состояние области:

✓ либо процесс-производитель поместит очередное сообщение в область, и оно теперь может быть считано ожидающим процессом-потребителем;

✓ либо процесс-потребитель считал очередное сообщение из области и обеспечил возможность ожидающему процессупотребителю послать очередное сообщение.

П р и м е ч а н и е. Множественность постановки задачи «производитель-потребитель» определяется следующим:

1) процессов-потребителей и процессов-производителей может быть больше одного;

2) каждый из таких процессов может устанавливать не только одностороннюю, но и двустороннюю связь через одну и ту же обобщенную область или другие области;

3) области могут хранить не только одно, а большое количество сообщений.