Одной[R14] из важных проблем, которые появились в современных операционных системах, является проблема взаимодействия процессов.
Будем говорить, что процессы называются параллельными, если время их выполнения хотя бы частично перекрываются. Т.е. можно сказать, что все процессы, находящиеся в буфере обрабатываемых процессов, являются параллельными, т.к. в той или иной степени их выполнения во времени пересекаются, они существуют одновременно. Не стоит забывать, что, говоря о параллельных процессах, речь идет лишь о псевдопараллелизме, поскольку реально на процессоре может исполняться только один процесс.
Параллельные процессы могут быть независимыми и взаимодействующими. Независимые процессы используют множество независимых ресурсов, т.е. те ресурсы, которые принадлежат независимым процессам, в пересечении дают пустое множество. Альтернативой независимым процессам являются взаимодействующие процессы — те процессы, пересечение множеств ресурсов которых непустое. При этом одни процессы могут оказывать влияние на другие процессы, участвующие в этом взаимодействии.
Совместное использование ресурсов двумя и более процессами, когда каждый из них некоторое время владеет этими ресурсами, называется разделением ресурсов (как аппаратных, так и программных, или виртуальных). Разделяемый ресурс, использование которого организовано таким образом, что он может быть доступен в каждый момент времени только одному из взаимодействующих процессов, называется критическим ресурсом. Соответственно, часть программы, в рамках которой осуществляется работа с критическим ресурсом, называется критической секцией.
При организации корректного взаимодействия процессов очень важно требование, декларирующее, что результат работы взаимодействующих процессов не должен зависеть от порядка переключения выполнения между этими процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения данного процесса со скоростями выполнения других процессов.
Рассмотрим пример (Рис. 83). Пусть имеется некоторая общая переменная (разделяемый ресурс) in и два процесса, которые работают с этой переменной. Пусть в некоторый момент времени процесс A присвоил переменной in значение X. Затем в некоторый момент процесс B ввел значение Y этой же переменной in. Далее оба процесса читают эту переменную, и в обоих случаях процессы прочтут значение Y. Возможно, что процессы могли совершить эти действия в ином порядке (поскольку по-другому могли быть обработаны на процессоре), и результат был бы отличным от этого. Соответственно, подобная ситуация, когда процессы конкурируют за разделяемый ресурс, называются гонкой процессов (race conditions).
Рис. 83. Гонка процессов.
Для минимизации проблем, возникающих при гонках, используется взаимное исключение — такой способ работы с разделяемым ресурсом, при котором в тот момент, когда один из процессов работает с разделяемым ресурсом, все остальные процессы не могут иметь к нему доступ. Для организации модели взаимного исключения используются различные модели синхронизации. Прежде, чем рассматривать их, необходимо отметить те проблемы, которые могут возникать при организации взаимного исключения — это тупики и блокировки.
Блокировка — это ситуация, когда доступ к разделяемому ресурсу одного из взаимодействующих процессов не обеспечивается за счет активности более приоритетных процессов. Отметим следующее. Рассмотрим некоторую модель доступа к разделяемому ресурсу, построенную на приоритетах, когда более приоритетный запрос на обращение к ресурсу будет обработан быстрее, чем менее приоритетный. И пусть в этой модели работают два процесса, у которого приоритеты доступа к разделяемому ресурсу разные. Тогда, если более приоритетный процесс будет «часто» выдавать запросы на обращение к ресурсу, может возникнуть ситуация, когда второй процесс будет «вечно» (или достаточно долго) ожидать обработки каждого своего запроса, т.е. этот менее приоритетный процесс будет блокирован.
Тупик, или deadlock, — это ситуация «клинчевая», когда из-за некорректной организации доступа к разделяемым ресурсам происходит взаимоблокировка. Рассмотрим пример тупиковой ситуации(Рис. 84).
Рис. 84. Пример тупиковой ситуации (deadlock).
Предположим, что есть два процесса A и B, а также пара критических ресурсов. Пускай в некоторый момент времени процесс A вошел в критическую секцию работы с ресурсом 1. Это означает, что доступ любого другого процесса к данному ресурсу будет блокирован. Пусть также в это время процесс B войдет в критическую секцию ресурса 2. И этот ресурс также будет блокирован для доступа другим процессам. Пускай процесс A, не выходя из критической секции ресурса 1, пытается захватить ресурс 2. Но последний уже захвачен процессом B, и процесс A блокируется. Аналогично, пускай процесс B, не освобождая ресурс 2, пытается захватить ресурс 1 и также блокируется. Это пример простейшего тупика. Из него процессы никогда не смогут выйти. Соответственно, решением в данном случае может быть перезапуск системы или уничтожение обоих или одного из процессов.
