Организация параллельных взаимодействующих процессов

Взаимодействие процессов

Основной особенностью мультипрограммных вычислительных систем является то, что в их среде параллельно развивается несколько (последовательных) вычислительных процессов. С точки зрения внешнего наблюдателя эти процессы выполняются одновременно, поэтому будем считать их работающими параллельно независимо от того, реально они используют в некоторый момент времени различные процессоры, каналы, устройства или разделяют одни и те же ресурсы во времени. Любая мультипрограммная ОС вместе с параллельно выполняющимися в ней задачами пользователей может быть логически описана как совокупность последовательных процессов. Эти процессы, с одной стороны, состязаются за использование ресурсов, переходя из одного состояния в другое, а с другой – действуют почти независимо друг от друга, но образуют систему вследствие установления всевозможных связей между ними путём пересылки сообщений и синхронизирующих сигналов.

Два параллельных процесса могут быть независимыми или взаимодействующими.

Независимыми являются процессы, множества переменных которых не пересекаются. Под переменными в этом случае понимают файлы данных, а также области оперативной памяти, сопоставленные определенным в программе переменным. Независимые процессы не влияют на результаты работы друг друга, т.к. не могут изменить значение переменных другого независимого процесса. Они могут только являться причиной задержек исполнения других процессов, т.к. вынуждены разделять ресурсы системы.

Взаимодействующие процессы совместно используют некоторые общие переменные, и выполнение одного процесса может повлиять на выполнение другого.

Взаимодействовать могут либо конкурирующие процессы, либо совместно выполняющие общую работу. Конкурирующие процессы на первый взгляд действуют относительно независимо, но имеют доступ к общим переменным. Процессы, работа которых построена на обмене данными (результат вычислений одного процесса в явном виде передается другому), называют сотрудничающими.

Многие ресурсы системы могут использоваться совместно несколькими процессами, но к попеременно разделяемым ресурсам в каждый момент времени может иметь доступ только один процесс. Ресурсы, которые не допускают одновременного использования несколькими процессами, называют критическими. В системе должна быть предусмотрена защита от одновременного доступа процессов к критическим ресурсам, иначе в ней могут возникать непрогнозируемые и трудно обнаруживаемые ошибки.

В мультипрограммной системе потоки и процессы протекают асинхронно, с различными скоростями, на которые могут влиять ещё и решения планировщиков относительно других процессов. Поэтому влияние взаимодействующих процессов друг на друга невозможно спрогнозировать. Чтобы предотвратить порчу общих данных и исключить взаимную блокировку, потокам необходимо синхронизировать свою работу. Синхронизация заключается в согласовании скоростей потоков путём приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации, когда это событие произойдет.

Взаимодействие сотрудничающих потоков удобно рассматривать в схеме "производитель–потребитель": Подробное описание этой схемы приведено в методических указаниях к лабораторным работам (лаб. работа № 4). Поток-получатель должен обращаться за данными только после того, как они помещены в буфер потоком-отправителем. Если же поток-получатель обратился за данными раньше, то он должен быть приостановлен до момента поступления данных.

При отсутствии синхронизации возможны следующие проблемы:

§ Возникновение гонок. Гонками называется такая ситуация, когда два или более потоков обрабатывают разделяемые данные и конечный результат зависит от соотношения скоростей потоков.

§ Взаимные блокировки, или тупики (дедлоки, клинчи – разные термины для обозначения одного события). Тупик – это состояние, когда несколько процессов ждут событий, которые могут быть вызваны только одним из этих процессов. Так как все процессы находятся в состоянии ожидания, то эти события не произойдут никогда, следовательно, без вмешательства системы ожидание будет бесконечным.

Например, процесс P1 занимает ресурс X и для дальнейшей работы нуждается в ресурсе Y, а процесс P2 занимает ресурс Y и для дальнейшей работы нуждается в ресурсе X. Возникает ситуация тупика (взаимной блокировки), поскольку ни один из процессов не может завершить работу из-за нехватки ресурса, который, в свою очередь, никогда не освободится.

Существует ряд механизмов синхронизации потоков и процессов. Они могут образовывать иерархию, когда на основе более простых средств строятся более сложные, а также могут быть функционально специализированными, например, средства для синхронизации потоков одного процесса, средства для синхронизации потоков разных процессов при обмене данными и т.п. Для синхронизации потоков прикладных программ программист может использовать как средства операционной системы, так и собственные приемы синхронизации.

Механизмы синхронизации различаются в зависимости от того, относятся они к потокам одного или разных процессов. Для синхронизации потоков одного процесса можно использовать глобальные блокирующие переменные, которые позволяют контролировать работу потоков в критической секции (мониторы, семафоры). Для потоков разных процессов ОС использует системные семафоры, события, сигналы, таймеры и пр. В распределенных системах, состоящих из нескольких процессоров, синхронизация может быть реализована только посредством передачи сообщений. Рассмотрим несколько более подробно некоторые названные средства синхронизации и связанные с ними понятия.