Проблема производителя и потребителя

Рассмотрим проблему производителя и потребителя, также известную как проблема ограниченного буфера. Два процесса совместно используют буфер ограниченного размера. Один из них, производитель, помещает данные в этот буфер, а другой, потребитель, считывает их оттуда.

Трудности начинаются в тот момент, когда производитель хочет поместить в буфер очередную порцию данных и обнаруживает, что буфер полон. Для производителя решением является ожидание, пока потребитель полностью или частично не очистит буфер. Аналогично, если потребитель хочет забрать данные из буфера, а буфер пуст, потребитель уходит в состояние ожидания и выходит из него, как только производитель положит что-нибудь в буфер и разбудит его.

Нам нужна переменная count для от­слеживания количества элементов в буфере. Если максимальное число элементов, хранящихся в буфере, равно N, программа производителя должна проверить, не равно ли N значение count прежде, чем поместить в буфер следующую порцию данных. Если значение count равно N, то производитель уходит в состояние ожидания; в противном случае производитель помещает данные в буфер и увеличивает значение count.

Теперь давайте вернемся к состоянию состязания. Его возникновение возможно, поскольку доступ к переменной count не ограничен. Может возникнуть следующая ситуация: буфер пуст, и потребитель только что считал значение перемен­ной count, чтобы проверить, не равно ли оно нулю. В этот момент планировщик передал управление производителю, производитель поместил элемент в буфер и увеличил значение count, проверив, что теперь оно стало равно 1. Зная, что перед этим оно было равно 0 и потребитель находился в состоянии ожидания, производитель активизирует его с помощью вызова wakeup.

Но потребитель не был в состоянии ожидания, так что сигнал активизации про­пал впустую. Когда управление перейдет к потребителю, он вернется к считанному когда-то значению count, обнаружит, что оно равно 0, и уйдет в состояние ожидания. Рано или поздно производитель наполнит буфер и также уйдет в состояние ожидания. Оба процесса так и останутся в этом состоянии.

Суть проблемы в данном случае состоит в том, что сигнал активизации, при­шедший к процессу, не находящемуся в состоянии ожидания, пропадает. Если бы не это, проблемы бы не было. Быстрым решением может быть добавление бита ожидания активизации. Если сигнал активизации послан процессу, не находящемуся в состоянии ожидания, этот бит устанавливается. Позже, когда процесс пытается уйти в состояние ожидания, бит ожидания активизации сбрасывается, но процесс остается активным. Этот бит исполняет роль копилки сигналов активизации.

Семафоры.

В 1965 году Дейкстра предложил использовать целую переменную для подсчета сигналов запуска, сохраненных на будущее. Им был предложен новый тип переменных, так называемые семафоры, значение которых может быть нулем (в случае отсутствия сохраненных сигналов активизации) или некоторым положительным числом, соответствующим количеству отложенных сигналов активации.

Дейкстра предложил две операции, down и up (обобщения sleep и wakeup). 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, как ни один процесс не мог быть блокирован во время выполнения операции wakeup в предыдущей модели.

Мьютексы.

Иногда используется упрощенная версия семафора, называемая мьютексом (mutex, сокращение от mutual exclusion — взаимное исключение). Мьютекс не способен считать, он может лишь управлять взаимным исключением доступа к совместно используемым ресурсам или кодам. Реализация мьютекса проста и эффективна, что делает использование мьютексов особенно полезным в случае потоков, действующих только в пространстве пользователя.

Мьютекс — переменная, 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 поток (или процесс) собирается войти в критическую область, он вызывает процедуру mutex_lock. Если мьютекс не заблокирован (то есть вход в критическую область разрешен), запрос выполняется и вызывающий поток может попасть в критическую область.

Напротив, если мьютекс заблокирован, вызывающий поток блокируется до тех пор, пока другой поток, находящийся к критической области, не выйдет из нее, вызвав процедуру mutex_unlock. Если мьютекс блокирует несколько потоков, то из них случайным образом выбирается один.

Мониторы.

Чтобы упростить написание программ, в 1974 году Хоар (Ноаге) [155] и Бринч Хансен (Brinch Hansen) [43] предложили примитив синхронизации более высо­кого уровня, называемый монитором. Их предложения несколько отличались друг от друга, как мы увидим дальше. Монитор — набор процедур, переменных и дру­гих структур данных, объединенных в особый модуль или пакет. Процессы могут вызывать процедуры монитора, но у процедур, объявленных вне монитора, нет прямого доступа к внутренним структурам данных монитора.

Реализации взаимных исключений способствует важное свойство монитора: при обращении к монитору в любой момент времени активным может быть только один процесс. Мониторы являются структурным компонентом языка программирования, поэтому компилятор знает, что обрабатывать вызовы процедур монитора следует иначе, чем вызовы остальных процедур. Обычно при вызове процедуры монитора первые несколько команд процедуры проверяют, нет ли в мониторе активного процесса. Если активный процесс есть, вызывающему процессу придется подождать, в противном случае запрос удовлетворяется. Реализация взаимного исключения зависит от компилятора, но обычно используется мьютекс или бинарный семафор. Поскольку взаимное исключение обеспечивает компилятор, а не программист, вероятность ошибки гораздо меньше. В любом случае программист, пишущий код монитора, не должен задумываться о том, как компилятор организует взаимное исключение. Достаточно знать, что, обеспечив попадание в критические области через процедуры монитора, можно не

бояться попадания в критическую область двух процессов одновременно.

Хотя мониторы предоставляют простой способ реализации взаимного исключения, этого недостаточно. Необходим также способ блокировки процессов, которые не могут продолжать свою деятельность. В случае проблемы производителя и потребителя достаточно просто поместить все проверки буфера на заполненность

и пустоту в процедуры монитора, но как процесс заблокируется, обнаружив полный буфер?

Решение заключается во введении переменных состояния и двух операций, wait и signal. Когда процедура монитора обнаруживает, что она не в состоянии продолжать работу (например, производитель выясняет, что буфер заполнен), она выполняет операцию wait на какой-либо переменной состояния, скажем, full. Это приводит к блокировке вызывающего процесса и позволяет другому процессу войти в монитор.

Другой процесс, в нашем примере потребитель может активизировать ожидающего напарника, например, выполнив операцию signal на той переменной со­стояния, на которой он был заблокирован. Чтобы в мониторе не оказалось двух активных процессов одновременно, нам необходимо правило, определяющее по­следствия операции signal. Хоар предложил запуск «разбуженного» процесса и остановку второго. Бринч Хансен предложил другое решение: процесс, выполнивший signal, должен немедленно покинуть монитор. Иными словами, операция signal выполняется только в самом конце процедуры монитора. Мы будем использовать это решение, поскольку оно в принципе проще и к тому же легче в реализации.

Если операция signal выполнена на переменной, с которой связаны несколько за­блокированных процессов, планировщик выбирает и «оживляет» только один из них. Кроме этого, существует третье решение, не основывающееся на предположениях Хоара и Бринча Хансена: позволить процессу, выполнившему signal, продолжать работу и запустить ждущий процесс только после того, как первый процесс покинет монитор.

Переменные состояния не являются счетчиками. В отличие от семафоров они не аккумулируют сигналы, чтобы впоследствии воспользоваться ими. Это означает, что в случае выполнения операции signal на переменной состояния, с которой не связано ни одного блокированного процесса, сигнал будет утерян. Проще говоря, операция wait должна выполняться прежде, чем signal. Это правило существен­но упрощает реализацию. На практике это правило не создает проблем, поскольку отслеживать состояния процессов при необходимости не очень трудно. Процесс,

Передача сообщений.

Для реализации обмена информацией между компьютерами выступает передача сообщений. Этот метод межпроцессного взаимодействия использует два примитива: send и receive, которые скорее являются системными вызовами, чем структурными компонентами языка (что отличает их от мониторов и делает похожим на семафоры). Поэтому их легко можно поместить в библиотечные процедуры, например:

send(destination, &message);

receive(source, &message);

Первый запрос посылает сообщение заданному адресату, а второй получает со­общение от указанного источника (или от любого источника, если это не имеет значения). Если сообщения нет, второй запрос блокируется до поступления сообщения либо немедленно возвращает код ошибки.