Понятие тупика. Модель Холта

При параллельном исполнении процессов могут возникать ситуации, при которых два или более процесса все 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 (смертельное объятие), тупиком или клинчем.

Определение 4.8. Говорят, что в мультипрограммной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ждет события, которое никогда не произойдет.

Тупики чаще всего возникают из-за конкуренции несвязанных параллельных процессов за ресурсы вычислительной системы, но иногда к тупикам приводят и ошибки программирования.

Для того чтобы возник тупик, необходимо, чтобы одновременно выполнялись четыре условия:

- взаимного исключения, при котором процессы осуществляют монопольный доступ к ресурсам;

- ожидания, при котором процесс, запросивший ресурс, ждет до тех пор, пока запрос не будет удовлетворен, при этом удерживая ранее полученные ресурсы;

- отсутствия перераспределения, при котором ресурсы нельзя отобрать у процесса, если они ему уже выделены;

- кругового ожидания, при котором существует замкнутая цепь процессов, каждый из которых ждет ресурс, удерживаемый его предшественником в этой цепи.

Проблема борьбы с тупиками становится все более актуальной и сложной по мере развития и внедрения параллельных вычислительных систем. При проектировании таких систем разработчики стараются проанализировать возможные неприятные ситуации, используя специальные модели и методы.

Таких моделей много; к настоящему времени разработано несколько десятков различных моделей, предназначенных для анализа и моделирования систем с параллельными асинхронными процессами, для которых возможность возникновения тупиковых ситуаций является очень серьезной проблемой.

Для исследования параллельных процессов и, в частности, проблемы тупиков было разработано несколько моделей. Наиболее распространенными являются две из них - сети Петри и модель повторно используемых ресурсов Холта.

Сети Петри могут быть использованы с точки зрения анализа системы на возможность возникновения в ней тупиковых ситуаций. Этот анализ проводится посредством исследования пространства возможных состояний сети Петри. При этом под последним понимается множество возможных маркировок сети. Анализ сетей посредством матричных методов имеет множество проблем, поэтому в основном используется подход, основанный на построении дерева достижимости.

Сети Петри очень удобны для описания процессов синхронизации и альтернатив. Например, семафор может быть представлен входной позицией, связанной с несколькими взаимоисключающими переходами (критическими секциями). Сети Петри позволяют моделировать асинхронность и недетерминизм параллельных независимых событий, параллелизм конвейерного типа, конфликтные взаимодействия между процессами.

Модель повторно используемых ресурсов Холта представляет вычислительную систему как набор (множество) процессов и набор ресурсов, причем 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 представлено на рис.4.11.

Рис. 4.11. Пример модели Холта для системы из двух процессов

Пусть процесс Р1 запрашивает две единицы ресурса R1 и одну единицу ресурса R2. 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.