31. Какие требования предъявляются к критическим секциям программного кода процессов?

Основные требования, предъявляемые к критическим секциям:

• в любой момент времени только один процесс должен находиться в своей критической секции;

• продолжительность нахождения процесса в критической секции не может быть бесконечно долгой;

• ни один процесс не должен бесконечно долго ожидать разрешения вхождения в свою критическую секцию, для чего должно обеспечиваться выполнение правил:

• процесс, работающий вне своей критической секции не должен блокировать критическую секцию другого процесса;

• принятие решения о порядке вхождения в критическую секцию процессов, конкурирующих за критический ресурс, не должно быть бесконечно долгим;

• если процесс, находящийся в критической секции завершён естественным или аварийным путём, то режим взаимного исключения должен быть отменён.

32. Что такое блокировка памяти? в чём смысл метода одной общей переменной?

Все вычислительные машины и системы поддерживают блокировку памяти, запрещающую одновременное обращение к одной и той же ячейке памяти двух и более команд. Однако механизм блокировки памяти не исключает чередование поочерёдный доступ к ячейке памяти двух и более процессов. Для обеспечения чередование доступа процессов к общей переменной, расположенной в памяти возможны три варианта:

· применение одной общей переменной (переключателя);

· применение двух общих переменных;

· применение двух общих переменных с усилением взаимных исключений;

· применение трёх общих переменных (алгоритм Декера).

Применение одной общей переменной предусматривает создание переменной, называемой "переключателем" и могущей принимать значения 1 или 2.

33. Поясните метод двух и трёх общих переменных.

Применение двух переменных предусматривает создание двух общих для процессов Р1 и Р2 логических переменных, которые называются флагами, могут иметь значения True или False. Эти переменные называются переключателями.

Алгоритм Декера предусматривает создание трёх переменных перекл_1, перекл_2 и Очередь. Переменные перекл_1 и перекл_2, как и ранее, гарантируют выполнение взаимного исключения. Переменная очередь, указывает какой из процессов, конкурирующих за критический ресурс, должен войти в свою критическую секцию. Переменная очередь не изменяется во время принятия решения о порядке вхождения процессов в критические секции. Еаё изменение присходит в конце выполнения критической секции. Таким образом, согласно алгоритму Деккера возможны три ситуации вхождения процессами в критические секции:

· перекл_1=True и перекл_2=False;

· перекл_1=False и перекл_2=True;

· перекл_1=True и перекл_2=True и оба процесса желают сойти в критическую секцию.

34. Что такое команды "проверка-установка"? Чем они отличаются от обычных команд "проверка" и "установка"?

Операция «проверка – установка» осуществляется двухадресной командой, которая записывает данные по двум адресам и исключает выполнение каких-либо команд во время своего выполнения.

Причиной возникновения проблем при реализации взаимного исключения посредством блокировки памяти является реализация механизма двумя командами "проверить флаг" и "становить флаг". Во время исполнения этой пары операций доступ к флагам имеют все процессы, конкурирующие за критический ресурс. Попытка решить эту проблему аппаратными средствами была сделана ещё в знаменитых машинах IBM 360 и IBM 370. В них появилась единая неделима команда TS (Test and Set) проверки и установки переменных. Т.к. эта команда неделима, то на время её использования одним процессом проверяемая переменная становится недоступна другим процессам.

35. Поясните принцип действия семафоров

Семафор – специальная переменная, которая своим значением сигнализирует о состоянии критического ресурса и позволяет выполнить с собой два действия, называемые семафорными примитивами:

• P(S) – декремент значения семафора и проверка нового значения, если оно не меньше нуля, то выполняется критическая секция процесса, иначе процесс переводится в состояние ожидания;

• V(S) – увеличение значения семафора на единицу и перевод в состояние готовности процессов, ожидающих критический ресурс.

Существует множество «семафорных» алгоритмов, создающих значения семафора с разными областями возможных целочисленных значений. Семафоры, имеющие бинарное значение называются МЬЮТЕКСАМИ. Мьютексы имеют два состояния «Отмечен» (открыт) и «Не отмечен» (закрыт).

Недостатком механизма семафоров является примитивность семафоров: они не содержат ни непосредственного указания на синхронизирующий механизм, ни непосредственного указания на ресурс, который они контролируют.

36. Поясните принцип действия мониторов.

Монитором в параллельном программировании называют пассивный набор разделяемых переменных и повторно входимых процедур (см. раздел 1.6). Повторно входимые процедуры обеспечивают доступ к разделяемым переменным. В каждый момент времени монитором может пользоваться только один процесс. Процедуры монитора исполняются только по требованию процессов.

Монитор, по существу, является планировщиком критического ресурса. Повторная входимость процедур планировщика нужна потому, что к монитору могут обращаться многие процессы ещё до завершения обслуживания им текущего процесса, а вход в монитор осуществляется под жёстким контролем, осуществляющим взаимное исключение задач. Из всех процессов, желающих войти в монитор, разрешение получает только один, остальным в доступе отказывается, причём сам монитор блокирует процесс и определяет условие ожидания. Сам же монитор отслеживает выполнение условия ожидания и активизирует процесс.

37. Поясните принцип действия почтовых ящиков.

Множество буферов сообщений (гнёзд), предназначенных для одного процесса, называются почтовым ящиком. Почтовый ящик является информационной структурой и состоит из головного элемента и нескольких гнёзд. Головной элемент содержит сведения о почтовом ящике (количество гнёзд и их объёмы), которые задаются при создании почтового ящика.

38. Поясните работу конвейеров и очередей сообщений.

Конвейеры, иначе транспортёры или каналы связи, представляют собой потоки байтов, передающихся между двумя и более процессами. Физически конвейеры реализуются как буферная память, работающая по принципу FIFO, но они не являются очередями. Как информационная структура конвейеры описываются идентификатором, размером (не более 64К), указателем начала данных и указателем конца данных, которые определяют адреса начала и конца данных. Конвейер представляет собой закольцованную очередь (рис. 3.8).

В исходном состоянии оба указателя равны нулю. При добавлении в конвейер данных оба указателя увеличиваются на единицу. Дальнейшее добавление данных увеличивает значение указателя на конец данных (рис. 3.8,а). Чтение и удаление данных происходит всегда с начала. Поэтому при чтении и удалении данных приходится изменять значения указателей. В итоге указатели движутся от начала конвейера к её концу. Серым цветом на рис. 3.8 показаны записанные данные. Свободная область в начале конвейера образовалась в результате удаления и чтения данных.

Очереди позволяют одному или нескольким процессам посылать сообщения одному процессу-приёмнику. Читать и удалять сообщения из очереди может только процесс приёмник. Процессы-источники могут только посылать сообщения в очередь. Пересылка сообщений возможна только от процессов источников к процессу-приёмнику, т.е. связь процессов односторонняя. Для получения двусторонней связи необходимо организовывать две очереди сообщений.

Очереди сообщений являются более удобным средством обмена сообщениями, чем конвейеры, но имеют более сложную реализацию. Они предоставляют возможность использовать несколько дисциплин работы с сообщениями: FIFO, LIFO, приоритетный доступ и произвольный доступ.

Второй особенностью очереди сообщений является сохранение в ней прочитанных записей, в то время как из конвейера они удаляются. Третьей особенностью очереди является присутствие в очереди не сообщений, а их адреса в памяти и размер. Эти данные хранятся в области памяти, которая является общей для процессов, обменивающихся сообщениями. Каждый процесс, пользующийся очередью должен получить доступ к общему разделу памяти через системные запросы API, т.к. очередь – это системный механизм.

39. Что такое тупик? Приведите примеры.

Тупик – состояние вычислительной системы, в котором два и более параллельных процесса блокируют друг друга вследствие одновременного выполнения критических секций, обращающихся к одним и тем же критическим ресурсам, которые не могут освободить.

Процессы Р1 и Р2 вошли в критические секции и захватили ресурсы R1 и R2 соответственно. Впоследствии P1 затребовал R2, а P2 – ресурс R1. Но ресурсы уже заняты. Критические секции процессов не завершены, процессы в режиме ожидания.

Тупик проявляется отсутствием реакции системы на управляющие сигналы, возможности ввода и вывода данных.

40. Каковы условия возникновения тупика?

Для появления тупиков должны одновременно выполняться четыре условия:

• взаимное исключение не запрещает монопольный доступ к разделяемым ресурсам (условие взаимного исключения);

• удержание процессом захваченного ресурса на время ожидания доступа к недостающим для продолжения его работы разделяемым ресурсам (условие ожидания);

• невозможность перераспределения ресурсов, захваченных процессами, находящимися в режиме ожидания (условие отсутствия перераспределения);

• существование замкнутой цепи процессов, каждый из которых ожидает освобождения ресурсов, захваченных другими процессами, входящими в цепь (условие кругового ожидания).

41. Какова классификация разделяемых ресурсов в модели Холта?

42. В чем разница между системными ресурсами и расходуемыми ресурсами?

Системные ресурсы SR представляют собой множество идентичных единиц некоторого вида ресурсов. Это множество единиц конечно и неизменно в операционной системе. Каждая единица ресурса либо доступна, либо выделена какому-либо процессу. Никакой процесс не может влиять на ресурс (или на его единицу), который ему не принадлежит. К системным ресурсам относятся основная и внешняя память, периферийные устройства, иногда процессоры, программное обеспечение, файлы данных, таблицы и разрешение войти в критическую секцию.

Расходуемые ресурсы CR также представляют собой конечное множество идентичных единиц ресурсов одного вида. Однако процессы могут порождать единицы и освобождать порождённые единицы ресурса, поэтому число единиц расходуемых ресурсов переменно. Процесс потребитель ресурса уменьшает число единиц, потребляет их и не возвращает ресурсу. К ресурсам CR относятся, в частности, прерывания от таймера и устройств ввода-вывода, сигналы синхронизации процессов, сообщения, содержащие различные запросы на обслуживание и данные, и соответствующие им ответы.