Операционные системы/Взаимодействие процессов. Разделяемые ресурсы
Материал из eSyr's wiki.
Содержание |
[править] Основные понятия
Параллельные процессы – процессы, выполнение которых хотя бы частично перекрывается по времени
Независимые процессы – процессы, использующие независимые множества ресурсов. На результат работы такого процесса не влияет работа независимого от него процесса.
Взаимодействующие процессы – процессы, использующие ресурсы совместно.
Разделение ресурса — совместное использование несколькими процессами ресурса ВС, когда каждый из процессов некоторое время владеет ресурсом.
Разделению подлежат как аппаратные, так программные ресурсы.
Разделяемые ресурсы, которые должны быть доступны в текущий момент времени только одному процессу – это так называемые критические ресурсы. Таковыми ресурсами могут быть как внешнее устройство, так и некая переменная, значение которой может изменяться разными процессами.
Необходимо уметь решать две важнейшие задачи:
- Распределение ресурсов между процессами.
- Организация защиты адресного пространства и других ресурсов, выделенных определенному процессу, от неконтролируемого доступа со стороны других процессов.
Важнейшим требованием мультипрограммирования с точки зрения распределения ресурсов является следующее: результат выполнения процесса не должен зависеть от порядка переключения выполнения между процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения процесса со скоростями выполнения других процессов.
Рассмотрим пример ситуации, в которой нарушается требование мультипрограммирования. Пусть имеется некоторая простая функция, которая считывает символ, введенный с клавиатуры, и выводит его на экран:
void echo()
{char in;input(in);output(in);}
В данном примере мы используем некоторые условные функции input() и output(), так как в данный момент для нас неважно, как конкретно реализован ввод/вывод в данной системе. Поскольку такой кусок кода будет использоваться практически в любой программе, его удобно сделать разделяемым, когда ОС загружает в некоторую область памяти, доступную всем процессам, одну-единственную копию данной программы, и все процессы используют эту копию совместно. Заметим, что в этом случае переменная in является разделяемой.
- Процесс А вызывает функцию echo(), однако в тот момент, когда входной символ был считан в переменную in, но до того, как он был выведен на экран, выполнение процесса прерывается и на выполнение загружается процесс В.
- Процесс В тоже вызывает функцию echo(). После выполнения функции echo() переменная in содержит уж новое значение, считанное с клавиатуры.
- Процесс А возобновляет свою работу в той точке, в которой он был прерван, и выводит на экран символ, находящийся в переменной in.
В этом примере символ, считанный процессом А, был потерян, а символ, считанный процессом В, был выведен дважды. Результат выполнения процессов здесь зависит от того, в какой момент осуществляется переключение процессов, и от того, какой конкретно процесс будет выбран для выполнения следующим.
Такие ситуации называются гонками (race conditions) между процессами, а процессы – конкурирующими.
Часть программы (фактически набор операций), в которой осуществляется работа с критическим ресурсом, называется критической секцией, или критическим интервалом.
Единственный способ избежать гонок при использовании разделяемых ресурсов – контролировать доступ к любым разделяемым ресурсам в системе. При этом необходимо организовать взаимное исключение – такой способ работы с разделяемым ресурсом, при котором в тот момент, когда один из процессов работает с разделяемым ресурсом, все остальные процессы не могут иметь к нему доступ.
Заметим, что вопрос организации взаимного исключения актуален не только для взаимосвязанных процессов, совместно использующих определенные ресурсы для обмена информацией. Возможна ситуация, когда процессы, не подозревающие о существовании друг друга, используют глобальные ресурсы системы, такие как устройства ввода/вывода, принтеры и т.п. В с этом случае имеет место конкуренция за ресурсы, доступ к которым также должен быть организован по принципу взаимного исключения.
[править] Проблемы организации взаимного исключения
- Тупики (deadlocks)
- Блокирование (дискриминация)
[править] Тупики (deadlocks)
При организации взаимного исключения могут возникнуть тупики (deadlocks), ситуации в которой конкурирующие за критический ресурс процессы вступают в клинч – безвозвратно блокируются.
Есть два процесса А и В, каждому из которых в некоторый момент требуется иметь доступ к двум ресурсам R1 и R2. Процесс А получил доступ к ресурсу R1, и следовательно, никакой другой процесс не может иметь к нему доступ, пока процесс А не закончит с ним работать. Одновременно процесс В завладел ресурсом R2. В этой ситуации каждый из процессов ожидает освобождения недостающего ресурса, но оба ресурса никогда не будут освобождены, и процессы никогда не смогут выполнить необходимые действия.
[править] Блокирование (дискриминация)
Блокирование – ситуация, когда доступ одного из процессов к разделяемому ресурсу не обеспечивается из-за активности других, более приоритетных процессов.
