Взаимное исключение при взаимодействии процессов

Зарегистрировано «___»_____20___г.

________ __________________________

Подпись                    (расшифровка подписи)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Государственное АВТОНОМНОЕ образовательное учреждение высшего профессионального  образования

БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НИУ «БелГУ»)

ФАКУЛЬТЕТ КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

КАФЕДРА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

ВЗАИМНОЕ ИСКЛЮЧЕНИЕ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПРОЦЕССОВ

Курсовая работа

студента дневного отделения 3 курса группы 140902

Колесникова Артура Валериевича

Научный руководитель:

Лихошерстный А.Ю.

БЕЛГОРОД  2012

              25

Содержание

Введение              3

1.Процессы              5

2. Задачи синхронизации             

3. Семафоры              19

4. Реализация приложения с использованием взаимного исключения.

Заключение

Список используемой литературы

Приложение              26

Введение

Процессы могут выполняться параллельно до тех пор, пока не возникнет потребность в общении между ними. Для обеспечения такого рода взаимодействия необходимо специальным образом планировать и управлять ими в составе любой ОС. Специальные средства ОС устанавливают определенные ограничения на последовательность (очередность) выполнения взаимосвязанных параллельных процессов, обеспечения тем самым их синхронизацию и общение. В каждом конкретном случае синхронизация задается с помощью синхронизирующих правил, которые устанавливаются системой между процессами и определяют порядок их выполнения с целью обеспечения должного взаимодействия. Существуют основные отношения типа: отношение предшествования, отношение приоритетности, отношение взаимного исключения. Эти отношения и определяют существо синхронизирующих правил. Реализация синхронизирующих правил осуществляется с помощью механизмов (средств) синхронизации. Такие механизмы весьма многочисленны по способам реализации, отличаются степенью эффективности и областями использования в различных ОС.

Особенности каждого конкретного взаимодействия между двумя или более параллельными процессами определяются задачей синхронизации. Количество различных задач синхронизации неограниченно. Однако некоторые из них являются типичными. К ним относятся: взаимное исключение, производители-потребители, читатели-писатели, обедающие философы и т.д. Большинство задач в реальных ОС по согласованию параллельных процессов можно решить либо с помощью этих типовых задач, либо с помощью их модификаций.

Целью данной курсовой работы является реализация приложения реализуещего задачу «взаимного исключения». Для достижения намеченной цели будет необходимо решение нескольких задач:

- изучение предметной области;

- изучение основных задач синхронизации: взаимное исключение,  производители-потребители, читатели-писатели;

- реализация решения задачи «взаимного исключения»;

Курсовая работа написана на 28 листах. Курсовая работа содержит 3  рисунка, 2 листинга.

1.Процессы

1.1.Понятие процесс, состояние процесса

1.2.Свойства и классификация процессов

Процессы определяются рядом временных характеристик. В некоторый момент времени процесс может быть порожден (образован), а через некоторое время закончен. Интервал между этими моментами называют интервалом существования процесса.

В момент порождения последовательность и длительность пребывания процесса в каждом из своих состояний (трасса процесса) в общем случае непредсказуемы. Следовательно, непредсказуема и длительность интервала существования. Однако отдельные виды процессов требуют такого планирования, чтобы гарантировать окончание процесса до наступления некоторого конкретного момента времени. Процессы такого класса называют процессами реального времени. В другой класс входят процессы, время существования которых должно быть не более интервала времени допустимой реакции ЭВМ на запросы пользователя. Процессы такого класса называют интерактивными. Процессы, не вошедшие в эти классы, называют пакетными.

В любой ОС по требованию существующего или существовавшего процесса проводится работа по порождению процессов. Процесс, задающий данное требование, называют порождающим, а создаваемый по требованию — порожденным. Если порожденный процесс на интервале своего существования в свою очередь выдает требование на порождение другого процесса, то он одновременно становится и порождающим.

Два процесса, которые имеют одинаковый конечный результат обработки одних и тех же исходных данных по одной и той же или даже различным программам на одном и том же или на различных процессорах, называют эквивалентными. Трассы эквивалентных процессов в общем случае не совпадают. Если в каждом из эквивалентных процессов обработка данных происходит по одной и той же программе, но трассы при этом в общем случае не совпадают, то такие процессы называют тождественными. При совпадении трасс у тождественных процессов их называют равными. Во всех остальных случаях процессы всегда различны.

Проблематичность управления процессами заключается в том, что в момент порождения процессов их трассы неизвестны. Кроме того, требуется учитывать, каким образом соотносятся во времени интервалы существования процессов. Если интервалы двух процессов не пересекаются во времени, то такие два процесса называют последовательными друг относительно друга. Если на рассматриваемом интервале времени существуют одновременно два процесса, то они на этом интервале являются параллельными друг относительно друга. Если на рассматриваемом интервале найдется хотя бы одна точка, в которой существует один процесс, но не существует другой, и хотя бы одна точка, в которой оба процесса существуют одновременно, то такие два процесса называют комбинированными.

В операционной системе принято различать процессы не только по времени, но и по месту их развития, т. е. на каком из процессоров исполняется программа процесса. Точкой отсчета принято считать центральный процессор (процессоры), на котором развиваются процессы, называемые программными или внутренними. Такое название указывает на возможность существования в системе процессов, называемых внешними. Это процессы, развитие которых происходит под контролем или управлением ОС на процессорах, отличных от центрального. Ими могут быть, например, процессы ввода — вывода, развивающиеся в канале. Деятельность любого пользователя ЭВМ, который в том или ином виде вводит посредством ОС информацию, требуемую для исполнения одной или нескольких программ, можно также рассматривать как внешний процесс.

Программные процессы принято делить на системные и пользовательские. При развитии системного процесса исполняется программа из состава операционной системы. При развитии пользовательского процесса исполняется пользовательская (прикладная) программа.

Процессы независимо от их вида могут быть взаимосвязанными или изолированными друг от друга. Два процесса являются взаимосвязанными, если между ними поддерживаются, с помощью системы управления процессами, какого-либо рода связи: функциональные, пространственно-временные, управляющие, информационные и т. д. В противном случае они являются изолированными (точнее - процессами со слабыми связями, так как при отсутствии явных связей они могут быть связаны косвенно и определенным образом влиять на развитие друг друга).

При наличии между процессами управляющей связи устанавливается отношение вида "порождающий—порождаемый", рассмотренное выше. Если два взаимосвязанных процесса при развитии используют совместно некоторые ресурсы, но информационно между собой не связаны, т. е. не обмениваются информацией, то такие процессы называют информационно-независимыми. Связь между такими процессами может быть либо функциональная, либо пространственно-временная. При наличии информационных связей между двумя процессами их называют взаимодействующими, причем схемы, а, следовательно, и механизмы установления таких связей могут быть различными. Особенность, во-первых, обусловлена динамикой процессов (т.е. являются ли взаимодействующие процессы последовательными, параллельными или комбинированными); во-вторых, выбранным способом связи (явным, с помощью явного обмена сообщениями между процессами, или неявным, с помощью разделяемых структур данных). Когда необходимо подчеркнуть связь между взаимосвязанными процессами по ресурсам, их называют конкурирующими.

Управление взаимосвязанными процессами в составе ОС основано на контроле и удовлетворении определенных ограничений, которые накладываются на порядок выполнения таких процессов. Данные ограничения определяют виды отношений, которые допустимы между процессами, и составляют в совокупности синхронизирующие правила.

Отношение предшествования. Для двух процессов это отношение означает, что первый процесс должен переходить в активное состояние всегда раньше второго.

Отношение приоритетности. Процесс с приоритетом Р может быть переведен в активное состояние только при соблюдении двух условий: в состоянии готовности к рассматриваемому процессору нет процессов с большим приоритетом; процессор либо свободен, либо используется процессом с меньшим, чем Р, приоритетом.[2,44]

Отношение взаимного исключения. Здесь два процесса используют обобщенный ресурс. При этом совокупность действий над этим ресурсом в составе одного процесса называют критической областью. Критическая область одного процесса не должна выполняться одновременно с критической областью над этим же ресурсом в составе другого процесса.

Рисунок. 2 Классификация процессов

Трудность в реализации синхронизирующих правил в составе системы управления процессами обусловлена динамикой процессов, неопределенностью и непредсказуемостью порядка и частотой перехода процессов из состояния в состояние по мере их развития. Причем в отношении каждой совокупности взаимосвязанных процессов приходится решать собственную задачу синхронизации, которая требует определенного порядка выполнения процессов с целью установления требуемого взаимодействия. Помимо рассмотренных в каждой из задач могут использоваться и другие, более сложные виды отношений. Например, отношения "производители—потребители", "читатели—писатели" и т. д., устанавливаемые между взаимодействующими процессами.

Результатом рассмотрения свойств процессов - явилось упорядочение процессов в одну из возможных классификационных схем, которая приведена на рис. 2.

2. Задачи синхронизации

2.1. Задача взаимного исключения

Задача взаимного исключения. Это фундаментальная по своему назначению задача.[1,138] Любая ОС, управляющая параллельными процессами, должна обеспечить тот или иной вариант реализации ее решения. Необходимо согласовать работу n>1 параллельных процессов при использовании некоторого критического ресурса таким образом, чтобы удовлетворить следующим требованиям:

              одновременно внутри критической области должно находиться не более одного процесса

              критические области не должны иметь приоритеты в отношении друг друга

              остановка какого-либо процесса вне его критической области не должна влиять на дальнейшую работу процессов по использованию критического ресурса

              решение о вхождении процессов в их критические области при одинаковом времени поступления запросов на такое вхождение и равноприоритетности процессов не откладывается на неопределенный срок, а является конечным во времени

              относительные скорости развития процессов неизвестны и произвольны

              любой процесс может переходить в любое состояние, отличное от активного, вне пределов своей критической области

              освобождение критического ресурса и выход из критической области должны быть произведены процессом, использующим критический ресурс, за конечное время

2.2. Задача "Производитель-потребитель"

Задача "Производитель-потребитель". Имеется большое число вариантов постановки и решения такой задачи в рамках конкретных ОС. Наиболее простой случай, когда взаимодействуют два процесса с жестко распределенными между ними функциями. Один процесс вырабатывает сообщения, предназначенные для восприятия и обработки другим процессом. 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 помещать очередное сообщение (в простейшем случае предполагается, что область способна хранить только одно сообщение и сообщения фиксированной длины), а процесс-потребитель должен считывать очередное сообщение. Необходимо согласовать работы 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. Аналогично должна быть блокирована попытка процесса-потребителя считать сообщение из области в ситуации, когда процесс-производитель не поместил туда очередного сообщения. Возможны также несколько вариантов реакции на данную ситуацию — сообщение о невозможности считывания либо перевод процесса-потребителя в состояние ожидания поступления очередного сообщения. Если используется вариант с ожиданиями изменения состояния обобщенной области для хранения сообщения, необходимо обеспечить перевод ожидающих процессов в состояние готовности всякий раз, когда изменится состояние области. Либо процесс-производитель поместит очередное сообщение в область. Оно теперь может быть считано ожидающим процессом-потребителем. Либо процесс-потребитель считал очередное сообщение из области и обеспечил возможность ожидающему процессу-производителю послать очередное сообщение.[1,140]

Множественность постановки задачи “производитель-потребитель” определяется тем, что число, как процессов-потребителей, так и процессов-производителей может быть большим одного. Каждый из таких процессов может устанавливать не только одностороннюю, но и двустороннюю связь через одну и ту же обобщенную область или другие области. Области могут хранить не одно, а большее количество сообщений.

2.3. Задача "Читатели-писатели"

Задача "Читатели-писатели". Эта задача также имеет много вариантов. Наиболее характерная область использования этой задачи — при построении файловых систем ОС. В отношении некоторой области памяти, являющейся по смыслу критическим ресурсом для параллельных процессов, работающих с ней, выделяется два типа процессов.[1,143]

Первый тип — процессы-читатели. Они считывают одновременно информацию из области, если это допускается при работе с конкретным устройством памяти.

Второй тип — процессы-писатели. Они записывают информацию в область и могут делать это, только исключая друг друга, так и процессы-читатели, т. е. запись должна удовлетворяться на основе решения задачи взаимного исключения. Имеются различные варианты взаимодействия между процессами-писателями и процессами-читателями. Наиболее широко распространены следующие. Устанавливается приоритетность в использовании критического ресурса процессам-читателям. Если хотя бы один процесс-читатель пользуется ресурсом, то он закрыт для использования всем процессам-писателям и доступен для использования всем процессам-читателям. Во втором варианте, наоборот, больший приоритет у процессов-писателей. При появлении запроса от процесса-писателя необходимо закрыть ресурс для использования всем процессам-читателям, которые выдадут запрос позже него.

2.4. Задача "Обедающие философы"

Задача "Обедающие философы". Хотя и название, и формулировка задачи носят некоторый абстрактный характер, такая задача синхронизации также имеет место при построении систем распределения ресурсов в составе ОС. В рамках этой задачи формулируются требования на синхронизацию работы процессов, которые совместно используют пересекающиеся группы ресурсов.[1,145]

Пример. Пусть имеются три параллельных процесса X, Y, Z и три ресурса: Р1—устройство ввода с перфокарт; Р2—печатающее устройство, РЗ — накопитель на МД. Особенность развития процессов такова, что для пребывания процесса Х в активном состоянии ему требуется выделить одновременно ресурсы ?1 и ?2, для пребывания процесса Y в активном состоянии ему требуется выделить одновременно ресурсы ?2 и РЗ, для пребывания процесса Z в активном состоянии ему требуется выделить одновременно ресурсы РЗ и ?1. Скорости развития процессов произвольны. Переходы из активного в другие состояния происходят в непредсказуемые моменты. Необходимо обеспечить максимально параллельное и правильное развитие процессов. Синхронизация в данном случае заключается в определенном упорядочении действий процессов по захвату ресурсов во избежание возможных блокировок одними процессами других. В данном случае возможны две опасности: возникновение тупиковой ситуации при распределении ресурсов и возникновение ситуации “голодания” в отношении некоторого процесса при распределении ресурса. Для пояснения обратимся к формулировке задачи, изложенной в терминологии, предложенной впервые Э.Дейкстрой.

За круглым столом расставлены стулья, каждый из которых занимает определенный философ (в первой формулировке Э. Дейкстры число философов равнялось пяти). В центре стола—большое блюдо спагетти, а на столе лежат пять вилок — каждая между двумя соседними тарелками. Каждый философ находится только в двух состояниях — либо он размышляет, либо ест спагетти. Начать думать после еды философу ничто не мешает. Но чтобы начать есть, необходимо выполнить ряд условий. Предполагается, что любой философ, прежде чем начать есть, должен положить из общего блюда спагетти себе в тарелку. Для этого он одновременно должен держать в левой и правой руках по вилке, набрать спагетти в тарелку с их помощью и, не выпуская вилок из рук, начать есть (для простоты здесь вопросы гигиены не рассматриваются). Закончив еду, философ кладет вилки слева и справа от своей тарелки и опять начинает размышлять до тех пор, пока снова проголодается.

Нетрудно заметить, что вилки в данной “столовой ситуации” выступают в качестве пересекающихся ресурсов. Неприятная ситуация может возникнуть в случае, когда философы одновременно проголодаются и одновременно попытаются взять, например, свою левую вилку. В данном случае возникает тупиковая ситуация, так как никто из них не может по условию начать есть, не имея второй вилки. Однако вторая вилка может появиться для любого философа только от соседа справа, который в свою очередь ждет появления для себя вилки от своего соседа справа и одновременно не хочет положить свою левую вилку на стол и т. д. Вторая неприятная ситуация (голодание) может возникнуть уже в отношении не всех, а только одного процесса. В обществе философов такая ситуация возникает в случае заговора двух соседей слева и справа против философа, в отношении которого строятся козни. Каждый раз, когда последний желает утолить голод, заговорщики, опережая его, поочередно забирают вилки то слева, то справа от него. Такие согласованные действия злоумышленников приводят жертву к вынужденному голоданию, так как он никогда не может воспользоваться обеими вилками.

Помимо представленных существует много задач с экзотическими названиями и содержанием, но имеющих, тем не менее, совершенно определенную практическую значимость при управлении процессами и распределении ресурсов.

Множественность задач синхронизации объясняет большой набор средств синхронизации, с помощью которых эти задачи решаются.

3. Семафоры

Семафор - это защищенная переменная, значение которой можно опрашивать и менять только при помощи специальных операций wait и signal и операции инициализации init. Двоичные семафоры могут принимать только значения 0 и 1. Семафоры со счетчиками могут принимать неотрицательные целые значения.[3,156]

Операция wait(s) над семафором s состоит в следующем: если s > 0 то s:=s-1 иначе (ожидать на s), а операция signal(s) заключается в том, что: если (имеются процессы, которые ожидают на s) то (разрешить одному из них продолжить работу) иначе s:=s+1

Операции являются неделимыми. Критические участки процессов обрамляются операциями wait(s) и signal(s). Если одновременно несколько процессов попытаются выполнить операцию wait(s), то это будет разрешено только одному из них, а остальным придется ждать.

Семафоры со счетчиками используются, если некоторые ресурс выделяется из множества идентичных ресурсов. При инициализации такого семафора в его счетчике указывается число элементов множества. Каждая операция wait(s) уменьшает значения счетчика семафора s на 1, показывая, что некоторому процессу выделен один ресурс из множества. Каждая операция signal(s) увеличивает значение счетчика на 1, показывая, что процесс возвратил ресурс во множество. Если операция wait(s) выполняется, когда в счетчике содержится нуль (больше нет ресурсов), то соответствующий процесс ожидает, пока во множество не будет возвращен освободившийся ресурс, то есть пока не будет выполнена операция signal.

4. Реализация приложения с использованием взаимного исключения.

При разработке синхронизации и параллельных вычислений зачастую полезно связать имеющуюся у вас задачу с уже известными и получить возможность проверить применимость вашего решения к известной задаче. В литературе довольно часто встречается рассмотрение таких "эталонных" задач, представляющих собой примеры часто возникающих перед разработчиком проблем. В курсовой работе рассмотрим классическую задачу — читателей/писателей.

Определить ее можно следующим образом. Имеются данные, совместно используемые рядом процессов. Данные могут находиться в файле, в блоке основной памяти или даже в регистрах процессора. Имеется несколько процессов, которые только читают эти данные (читатели), и несколько других, которые только записывают данные (писатели). При этом должны удовлетворяться следующие условия:

- Любое число читателей могут одновременно читать файл.

- Записывать информацию в файл в определенный момент времени может только один писатель.

- Когда писатель записывает данные в файл, ни один читатель не может его читать.

Перед тем как приступить к работе, разделим эту задачу на три: приоритетное чтение, приоритетная запись, приоритетная запись, реализованная с использованием системы передачи сообщений. В задаче читателей/писателей читатели не записывают данные, а писатели их не читают. Более общей является ситуация, когда каждый процесс может, как читать, так и писать данные (и которая включает рассматриваемую задачу как частный случай). В таком случае можно объявить любую часть процесса, которая обращается к данным, критическим разделом, и использовать простейшее решение на основе взаимоисключений. Причина, по которой рассматривается частный случай более общей задачи, заключается в том, что общее решение значительно замедляет работу, в то время как для частного случая имеется гораздо более эффективное решение. Представим библиотечный каталог, в котором читатели могут искать нужную им литературу, а один или несколько работников библиотеки могут этот каталог обновлять. При общем решении читатели будут вынуждены входить в каталог по одному, что, конечно, приведет к неоправданным задержкам и очередям. Кроме того, работники библиотеки при внесении изменений не должны мешать друг другу, а также не должны допускать читателей к данным в момент их изменения, чтобы предотвратить получение читателем недостоверной информации.

Далее будет рассмотрено решение поставленной задачи.

4.2. Программная реализация

В листинге 1 приведено решение задачи с использованием семафоров для варианта, в котором имеются один читатель и один писатель (решение не требует изменений, если имеется много читателей и писателей).

Процесс писателя очень прост. Для обеспечения взаимного исключения используется семафор wsem. Когда один писатель записывает данные, ни другие писатели, ни читатели не могут получить к ним доступ. Процесс читателя также использует семафор wsem для обеспечения взаимоисключений. Однако чтобы обеспечить возможность одновременной работы многих читателей, состояние семафора проверяет только читатель, входящий в критический раздел, в котором нет других читателей. Если в критическом разделе уже находится хоть один читатель, то другой читатель приступает к работе, не ожидая семафора wsem. Для отслеживания количества читателей в критическом разделе используется глобальная переменная rcount, а для гарантии корректного ее обновления — семафор х.

Рисунок 3. Скриншот работающего приложени

На рисунке 3 представленна реализация решения задачи читатели-писатели. Код данной программы находится в листинге 2 (см.приложение).

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы были изучены основные задачи синхронизации, такие как: взаимное исключение,  производители-потребители, читатели-писатели. Также была реализована задача с использованием «взаимного исключения». Т.к. перечисленное выше является задачами данной работы, то можно с уверенность сказать, что цель достигнута.