Межпроцессное взаимодействие

Существенное значение имеет возможность взаимодействия процессов между собой. Например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов. Пренебрежение вопросами синхронизации процессов, выполняющихся в режиме многозадачности, может привести к их неправильной работе или даже к «краху» системы.

Сложность проблемы синхронизации состоит в нерегулярности возникающих ситуаций. Очень часто все определяется взаимными скоростями процессов и моментами их прерывания. Поэтому отладка взаимодействующих процессов является сложной задачей. Ситуации, когда два или более процессов обрабатывают разделяемые данные, и конечный результат зависит от соотношения скоростей процессов, называются гонками.

Важным понятием синхронизации процессов является понятие «критическая секция» или «критическая область» программы. Критическая секция (критическая область) – это часть программы, в которой осуществляется доступ к разделяемым данным. Для исключения эффекта гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо обеспечивать такие ситуации, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этим ресурсом, находился максимум один процесс. Этот прием называют взаимным исключением. Простейший способ обеспечить взаимное исключение – позволить процессу, находящемуся в критической секции, запрещать все прерывания. Однако этот способ далеко не всегда пригоден, так как весьма опасно доверять управление системой пользовательскому процессу: он может надолго занять процессор, а при «крахе» процесса в критической области «крах» потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Другим способом взаимного исключения является использование блокирующих переменных. При этом каждому разделяемому ресурсу ставится в соответствие двоичная переменная, которая принимает, например, значение 0, если ресурс свободен (то есть ни один из процессов не находится в данный момент в критической секции, связанной с данным процессом), и значение 1, если ресурс занят.

Если все процессы реализуются с использованием вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. Необходимо подчеркнуть, что операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой, что может быть пояснено на следующем примере.

Пусть в результате проверки переменной процесс определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 1, был прерван. За время его приостановки другой процесс занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому процессу, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелательным последствиям.

Во избежание указанных ситуаций в системе команд машины следует иметь единую команду «проверка-установка», или же реализовывать системными средствами соответствующие программные примитивы, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один процесс находится в критической секции, другой процесс, которому требуется тот же ресурс, будет выполнять рутинные действия по опросу блокирующей переменной, бесполезно тратя процессорное время. Такую постоянную проверку иногда называют активным ожиданием. При этом блокирующая переменная (блокировка), использующая активное ожидание, называется спин-блокировкой. Для устранения таких ситуаций может быть использован так называемый аппарат событий. С помощью этого средства могут решаться не только проблемы взаимного исключения, но и более общие задачи синхронизации процессов. В разных операционных системах аппарат событий реализуется по-своему, но в любом случае используются системные функции аналогичного назначения.

Например, если ресурс занят, то процесс не выполняет циклический опрос, а вызывает некоторую системную функцию wait(D), где D обозначает событие, заключающееся в освобождении ресурса D. Функция wait(D) переводит активный процесс в состояние «ожидание» и делает отметку в его дескрипторе о том, что процесс ожидает события D. Процесс, который в это время использует ресурс D, после выхода из критической секции выполняет системную функцию post(D), в результате чего операционная система просматривает очередь ожидающих процессов и переводит процесс, ожидающий события D, в состояние «готовность».

Для организации синхронизации процессов могут применяться специальные механизмы высокого уровня, блокирующие процесс, ожидающий входа в критическую область или наступления своей очереди использования совместного ресурса. Один из подобных механизмов – механизм так называемых семафоров, являющихся определенным обобщением понятия блокирующих переменных. Семафоры представляют собой такой тип переменных, значение которых может быть нулем (в случае отсутствия сохраненных сигналов активизации процессов) или некоторым положительным числом, соответствующим количеству отложенных активизирующих сигналов.

Для работы с семафорами применяются две операции: down и up. Операция down сравнивает значение семафора с нулем. Если значение семафора больше нуля, операция down уменьшает его (то есть расходует один из сохраненных сигналов активации) и просто возвращает управление. Если значение семафора равно нулю, процедура down не возвращает управление процессу, а процесс переводится в состояние ожидания. Все операции проверки значения семафора, его изменения и перевода процесса в состояние ожидания выполняются как единое и неделимое элементарное действие. Тем самым гарантируется, что после начала операции ни один процесс не получит доступа к семафору до окончания или блокирования операции. Элементарность операции чрезвычайно важна для разрешения пробле­мы синхронизации и предотвращения состояния состязания.

Операция up увеличивает значение семафора. Если с этим семафором связаны один или несколько ожидающих процессов, которые не могут завершить более раннюю операцию down, один из них выбирается системой (например, случайным образом) и ему разрешается завершить свою операцию down. Таким образом, после операции up, примененной к семафору, связанному с несколькими ожидающими процессами, значение семафора так и останется равным 0, но число ожидающих процессов уменьшится на единицу. Операция увеличения значения семафора и активизации процесса тоже неделима. Ни один процесс не может быть блокиро­ван во время выполнения операции up.

Часто используется упрощенная версия семафора, называемая мьютексом (от англоязычного термина mutex, происходящего от сокращения словосочетания mutual exclusion – «взаимное исключение»).

Мьютекс не может считать сигналы, а может лишь управлять взаимным исключением доступа к совместно используемым ресурсам. Реализация мьютекса проста и эффективна. Мьютекс является переменной, которая может находиться в одном из двух состояний: блокированном или неблокированном. Поэтому для описания мьютекса требует­ся всего один бит, хотя чаще используется целая переменная, у которой 0 означает неблокированное состояние, а все остальные значения соответствуют блокирован­ному состоянию. Значение мьютекса устанавливается двумя процедурами. Если процесс собирается войти в критическую секцию, он вызывает проце­дуру mutex_lock. Если мьютекс не заблокирован (то есть вход в критическую секцию разрешен), запрос выполняется и вызывающий процесс может попасть в критическую секцию. Напротив, если мьютекс заблокирован, вызывающий процесс блокируется до тех пор, пока другой процесс, находящийся к критической секции, не выйдет из нее, вызвав процедуру mutex_unlock. Если мьютекс блокирует несколько процессов, то из них случайным образом выбирается один.

Одним из наиболее простых, удобных и интуитивных интерфей­сов межпроцессного взаимодействия является буфер обмена. Буфер обмена может содержать в себе один информаци­онный объект – фрагмент текста, рисунок и т. д. С помощью сис­темного вызова процесс может получить копию информации, со­держащейся в буфере обмена, или сам поместить объект в буфер, при этом старое содержимое буфера теряется. Таким образом, про­граммы получают простой, но эффективный способ взаимного обмена инфор­мацией во время своей работы.

Существенной проблемой синхронизации процессов являются взаимные блокировки (взаимоблокировки) или тупики, называемые также дедлоками (deadlock) или клинчами (clinch). Ниже описан характерный пример взаимоблокировки.

Пусть двум процессам А и В, выполняющимся в режиме многозадачности, для выполнения их работы нужно два ресурса, например, принтер и диск. И пусть после того, как процесс А занял принтер (установил блокирующую переменную), он был прерван. Управление получил процесс В, который сначала занял диск, но при выполнении следующей команды был заблокирован, так как принтер оказался уже занятым процессом А. Управление снова получил процесс А, который в соответствии со своей программой сделал попытку занять диск и был заблокирован: диск уже распределен процессу В. В таком тупиковом положении процессы А и В могут находиться сколь угодно долго.

Процессы в зависимости от соотношения собственных скоростей могут либо совершенно независимо использовать разделяемые ресурсы, либо образовывать очереди к разделяемым ресурсам, либо взаимно блокировать друг друга. Тупиковые ситуации следует отличать от простых очередей, хотя те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне похожи друг на друга: процесс приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь – это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Она возникает тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но через некоторое время он освобождается, и процесс продолжает свое выполнение. Тупик же, что видно из его названия, является в некотором роде неразрешимой ситуацией. В рассмотренном примере тупик (взаимоблокировка) был образован двумя процессами, но взаимно блокировать друг друга может и большее число процессов. Проблема взаимоблокировок включает в себя задачи предотвращения взаимоблокировок, распознавания взаимоблокировок и восстановления системы после взаимоблокировок.

Взаимоблокировки могут быть предотвращены на стадии написания программ, то есть программы должны быть написаны таким образом, чтобы взаимоблокировка не могла возникнуть ни при каком соотношении взаимных скоростей процессов. Так, если бы в рассмотренном выше примере процесс А и процесс В запрашивали ресурсы в одинаковой последовательности, то тупиковая ситуация была бы в принципе невозможна.

Второй подход к предотвращению взаимоблокировок называется динамическим и заключается в использовании определенных правил при назначении ресурсов процессам (например, ресурсы могут выделяться в определенной последовательности, общей для всех процессов).

В некоторых случаях, когда тупиковая ситуация образована многими процессами, использующими множество ресурсов, распознавание взаимоблокировки является нетривиальной задачей. Существуют формальные программно-реализованные методы распознавания взаимоблокировок, основанные на ведении таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к занятым ресурсам. Анализ этих таблиц позволяет обнаружить взаимные блокировки. Если же тупиковая ситуация возникла, то не обязательно снимать с выполнения все заблокированные процессы. Можно снять только часть из них (при этом освобождаются ресурсы, ожидаемые остальными процессами), можно вернуть некоторые процессы в область свопинга (см. раздел 2), можно совершить «откат» некоторых процессов до так называемой контрольной точки, в которой запоминается вся информация, необходимая для восстановления выполнения программы с данного места. Контрольные точки расставляются в программе в тех местах, после которых возможно возникновение тупика.

Для того, чтобы облегчить написание корректных программ, было предложено высокоуровневое средство синхронизации, называемое монитором. В данном случае под монитором понимается набор процедур, переменных и структур данных. Процессы могут вызывать процедуры монитора, но не имеют доступа к внутренним данным монитора. Мониторы имеют важное свойство, которое делает их полезными для достижения взаимного исключения: только один процесс может быть активным по отношению к монитору. Компилятор обрабатывает вызовы процедур монитора особым образом. Обычно, когда процесс вызывает процедуру монитора, то первые несколько инструкций этой процедуры проверяют, не активен ли какой-либо другой процесс по отношению к этому монитору. Если да, то вызывающий процесс приостанавливается, пока другой процесс не освободит монитор. Таким образом, исключение входа нескольких процессов в монитор реализуется не программистом, а компилятором, что делает ошибки менее вероятными.