Тема: Понятие тупиковой ситуации при выполнении параллельных вычислительных процессов

Лекция 9

При организации параллельного выполнения нескольких процессов одной из главных функций операционной системы является решение сложной задачи корректного распределения ресурсов между выполняющимися процессами и обеспечение последних средствами взаимной синхронизации и обмена данными.

При параллельном исполнении процессов могут возникать ситуации, при которых два или более процесса всё время находятся в заблокированном состоянии. Самым простым является случай, когда каждый из двух процессов ожидает ресурс, занятый другим процессом. Из-за такого ожидания ни один из процессов не может продолжить исполнение и освободить в конечном итоге ресурс, необходимый другому процессу. Эта тупиковая ситуация называется дедлоком, тупиком или клинчем. Говорят, что в мультипрограммной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ждёт события, которое никогда не произойдёт. Тупики чаще всего возникают из-за конкуренции несвязанных параллельных процессов за ресурсы вычислительной системы, но иногда к тупикам приводят и ошибки программирования.

При рассмотрении проблемы тупиков целесообразно понятие ресурсов системы обобщить и разделить их все на два класса – повторно используемые (или системные) ресурсы (типа RR или SR – reusable resource или system resource) и потребляемые (или расходуемые) ресурсы (типа CR – consumable resource).

Повторно используемый ресурс (SR) есть конечное множество идентичных единиц со следующими свойствами:

- число единиц ресурса постоянно;

- каждая единица ресурса или доступна, или распределена одному и только одному процессу (разделение либо отсутствует, либо не принимается во внимание, так как не оказывает влияния на распределение ресурсов, а значит, и на возникновение тупиковой ситуации);

- процесс может освободить единицу ресурса (сделать её доступной), только если он ранее получил эту единицу, то есть никакой процесс не может оказывать какое-либо влияние ни на один ресурс, если он ему не принадлежит.

Данное определение выделяет существенные для изучения проблемы тупика свойства обычных системных ресурсов, к которым относятся такие компоненты аппаратуры, как основная память, вспомогательная (внешняя) память, периферийные устройства и процессоры, а также программное и информационное обеспечение, такое как файлы данных, таблицы и «разрешение войти в критическую секцию».

Расходуемый ресурс (CR) отличается от ресурса типа SR в нескольких важных отношениях:

- число доступных единиц некоторого ресурса типа CR изменяется по мере того, как приобретаются (расходуются) и освобождаются (производятся) отдельные их элементы выполняющимися процессами, и такое число единиц ресурса является потенциально неограниченным; процесс «производитель» увеличивает число единиц ресурса, освобождая одну или более единиц, которые он «создал»;

- процесс «потребитель» уменьшает число единиц ресурса, сначала запрашивая и затем приобретая (потребляя) одну или более единиц. Единицы ресурса, которые приобретены, в общем случае не возвращаются ресурсу, а потребляются (расходуются).

Эти свойства потребляемых ресурсов присущи многим синхронизирующим сигналам, сообщениям и данным, порождаемым как аппаратурой, так и программным обеспечением, и могут рассматриваться как ресурсы типа CR при изучении тупиков. В их число входят: прерывания от таймера и устройств ввода/вывода; сигналы синхронизации процессов; сообщения, содержащие запросы на различные виды обслуживания или данные, а также соответствующие ответы.

Для исследования параллельных процессов и, в частности, проблемы тупиков было разработано несколько моделей. Одной из них является модель повторно используемых ресурсов Холта. Согласно этой модели система представляется как набор (множество) процессов и набор ресурсов, причём каждый из ресурсов состоит из фиксированного числа единиц. Любой процесс может изменять состояние системы с помощью запроса, получения или освобождения единицы ресурса.

В графической форме процессы и ресурсы представляются квадратами и кружками соответственно. Каждый кружок содержит некоторое количество маркеров (фишек) в соответствии с существующим количеством единиц этого ресурса. Дуга, указывающая из «процесса» на «ресурс», означает запрос одной единицы этого ресурса. Дуга, указывающая из «ресурса» на «процесс», представляет выделение ресурса процессу. Поскольку каждая единица любого ресурса типа SR может быть выделена одновременно не более чем одному процессу, то число дуг, исходящих из ресурса к различным процессам, не может превышать общего числа единиц этого ресурса. Такая модель называется графом повторно используемых ресурсов.

Одно из состояний примера системы из двух процессов с ресурсами типа SR представлено на рис. 9.1.

Пусть процесс Р1 запрашивает две единицы ресурса R1 и одну единицу ресурсаR2. Процессу Р2 принадлежат две единицы ресурса R1 и ему нужна одна единица R2. Предположим, что процесс Р1 получил бы теперь запрошенную им единицу R2. Если принято правило, по которому процесс должен получить все запрошенные им ресурсы, прежде чем освободить хотя бы один из них, то удовлетворение запроса Р1 приведет к тупиковой ситуации: Р1 не сможет продолжиться до тех пор, пока Р2 не освободит единицу ресурса R1, а процесс Р2 не сможет продолжиться до тех пор, пока Р1 не освободит единицу R2. Причиной этого дедлока являются неупорядоченные попытки процессов войти в критический интервал, связанный с выделением соответствующей единицы ресурса.