ID: 30513

Название работы: Разделение ресурса

Категория: Доклад

Предметная область: Математика и математический анализ

Описание: Способы решения проблемы гонок: Локальная копия Синхронизация Метод блокирующей переменной Метод строгого чередования Алгоритм Деккера Алгоритм Петерсона Комбинированный способ Локальная копия Самый простой способ решения копирование переменной x в локальную переменную. В общем виде алгоритм выглядит следующим образом: Поток: while stop { synchronizedSomeObject { {criticl_section} } } Метод блокирующей переменной Суть метода состоит в том что если значение этой переменной равно например 1 то ресурс занят другим...

Язык: Русский

Дата добавления: 2013-08-24

Размер файла: 68.3 KB

Работу скачали: 5 чел.

Доска.

Разделяемый ресурс

Поток 1

Поток 2

Поток 3

Выступление.

Разделение ресурса — совместное использование несколькими процессами ресурса вычислительной системы, когда каждый из процессов некоторое время владеет ресурсом.

Разделению подлежат как аппаратные, так программные ресурсы.

Разделяемые ресурсы, которые должны быть доступны в текущий момент времени только одному процессу – это так называемые критические ресурсы. Таковыми ресурсами могут быть как внешнее устройство, так и некая переменная, значение которой может изменяться разными процессами.

Необходимо уметь решать две важнейшие задачи:

1. Распределение ресурсов между процессами.
2. Организация защиты адресного пространства и других ресурсов, выделенных определенному процессу, от неконтролируемого доступа со стороны других процессов.

Важнейшим требованием мультипрограммирования с точки зрения распределения ресурсов является следующее: результат выполнения процесса не должен зависеть от порядка переключения выполнения между процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения процесса со скоростями выполнения других процессов.

Рассмотрим пример,

 int x; // общая переменная

// Поток 1 while (!stop) {  x++; }

// Поток 2 while (!stop) {  if (x%2 == 0)    print("x=" + x); }

Пусть x=0. Предположим, что выполнение программы происходит в таком порядке:

1. if в потоке 2 проверяет x на чётность.
2. Оператор «x++» в потоке 1 увеличивает x на единицу.
3. Оператор вывода в потоке 2 выводит «x=1», хотя, казалось бы, переменная проверена на чётность.

Такие ситуации называются гонками (race conditions) между процессами, а процессы – конкурирующими.

Часть программы (фактически набор операций), в которой осуществляется работа с критическим ресурсом, называется критической секцией.

Способы решения проблемы гонок:

1. Локальная копия
2. Синхронизация
3. Метод блокирующей переменной
4. Метод строгого чередования
5. Алгоритм Деккера
6. Алгоритм Петерсона
7. Комбинированный способ

Локальная копия

Самый простой способ решения — копирование переменной x в локальную переменную.

// Поток 2:

while (!stop)

{

 int cached_x = x;

 if (cached_x%2 == 0)

   print("x=" + cached_x);

}

Естественно, этот способ актуален только тогда, когда переменная одна и копирование производится за одну машинную команду.

Синхронизация

Более сложный, но и более универсальный метод решения — синхронизация потоков, а именно исключение возможности обращения потоков к общей переменной, пока она используется другим. Иными словами пока критический ресурс занят, остальные процессы находятся в режиме ожидания. В общем виде алгоритм выглядит следующим образом:

// Поток:

while (!stop)

{

 synchronized(SomeObject)

 {

   {critical_section}

 }

 …

}

Метод блокирующей переменной

Суть метода состоит в том, что если значение этой переменной равно, например 1, то ресурс занят другим процессом, и второй процесс переходит в режим ожидания (блокируется) до тех пор, пока переменная не примет значение 0.

// Поток:

while (!stop)

{

 while(i==1)

 {}

 i=1;

 {critical_section}

 i=0;

}

Проблема в том, что после того как первый процесс считает 0, второй может занять процессор и тоже считать 0. Заблокированный процесс находится в режиме активного ожидания, постоянно проверяя, не изменилась ли переменная блокировки.

Метод строгого чередования

В этой модели, процессы могут выполняться строго по очереди, используя переменную.

//Поток1 while (!stop) {  while(i!=0)  {}  {critical_section}  i=1; }

//Поток2 while (!stop) {  while(i!=1)  {}  {critical_section}  i=0; }

Недостаток метода - заблокированный процесс постоянно находится в цикле, проверяя, не изменилась ли переменная.

Алгоритм Деккера

Алгоритм Деккера – программная реализация механизма взаимного исключения без запрещения прерываний. Алгоритм Деккера усовершенствован Петерсоном.

Алгоритм имеет следующие ограничения.

1. Алгоритм рассчитан только на 2 процесса (от этого ограничения свободен алгоритм пекарня (Bakery algorithm)).
2. При ожидании ресурса, процессы не снимаются с очереди на обслуживание и впустую тратят процессорное время (активное ожидание).

Принцип работы - если два процесса попытаются попасть в критическую секцию одновременно, алгоритм позволит войти только одному процессу, номер которого соответствует числу в переменной turn. Если один из процессов уже находится в критической секции, другой процесс будет находиться в ожидании.

Необходимо заметить, что использование подобных алгоритмов в ОС нежелательно, так как заблокированный процесс не снимается с обслуживания и напрасно расходует процессорное время.

f0 := false

f1 := false

turn := 0   // or 1

//Поток1 f0 = true while f1 {   if (turn !=  0)   {      f0 = false;      while (turn != 0) {}      f0 = true;   } } Critical_section; turn = 1; f0 = false;

//Поток2 f1 = true while f0 {   if (turn !=  1)   {      f1 = false;      while (turn != 1) {}      f1 = true;   } } Critical_section; turn = 0; f1 = false;

Алгоритм Петерсона

Алгоритм Петерсона – программная реализация механизма взаимного исключения без запрещения прерываний. Алгоритм Петерсона имеет смысл в системах на базе модели вычислений Фон-Неймана. Алгоритм Петерсона предложен в 1981 году Гарри Петерсоном из университета Рочестер (США). В основу алгоритма Петерсона лег алгоритм Деккера.

Алгоритм имеет следующие ограничения.

1. Алгоритм рассчитан только на 2 процесса (от этого ограничения свободен алгоритм пекарня (Bakery algorithm)).
2. При ожидании ресурса процессы не снимаются с очереди на обслуживание и впустую тратят процессорное время (активное ожидание).

Алгоритм Петерсона учитывает отсутствие атомарности в операциях чтения и записи переменных и может применяться без использования команд управления прерываниями.

Алгоритм работает на использовании двух переменных: у каждого процесса есть собственная переменная flag[i] и общая переменная turn. Все переменные хранятся в общей для обоих процессов памяти. В переменной flag запоминается факт захвата ресурса, в переменной turn – номер захватившего ресурс процесса.

При исполнении пролога критической секции процесс Pi заявляет о своей готовности выполнить критический участок и одновременно предлагает другому процессу приступить к его выполнению. Если оба процесса подошли к прологу практически одновременно, то они оба объявят о своей готовности и предложат выполняться друг другу. При этом одно из предложений всегда следует после другого. Тем самым работу в критическом участке продолжит процесс, которому было сделано последнее предложение

flag[0] = 0

flag[1] = 0

turn = 0

//Поток1 flag[0] = 1; turn = 1;     while( flag[1] && turn == 1 ){} critical_section; flag[0] = 0;

//Поток2 flag[1] = 1; turn = 0;     while( flag[0] && turn == 0 ){} critical_section; flag[1] = 0;

В начале процесс устанавливает флаг занятости, затем – номер процесса соседа. После этого каждый из процессов входит в цикл ожидания. Выход из цикла происходит, если флаг занятости установлен и номер процесса соответствует номеру соседа.

Комбинированный способ

Предположим, что переменная x имеет тип не int, а long (на 32-битных ЭВМ её копирование выполняется за две машинных команды), а во втором потоке вместо System.out.println стоит более сложная обработка. В этом случае оба метода неудовлетворительны: первый — потому что x может измениться, пока идет копирование; второй — потому что засинхронизирован слишком большой объём кода.

Эти способы можно скомбинировать, копируя «опасные» переменные в синхронизированном блоке. С одной стороны, это снимет ограничение на одну машинную команду, с другой — позволит избавиться от слишком больших синхроблоков.

long x;

// Поток 1: while (!stop) {  synchronized(SomeObject)  {    x++;  }  … }

while (!stop) {  long cached_x;  synchronized (SomeObject)  {    cached_x = x;  }  if (cached_x%2 == 0)    DoSomethingComplicated(cached_x);  … }

Очевидных способов выявления и исправления состояний гонки не существует. Лучший способ избавиться от гонок — правильное проектирование многозадачной системы.