Анализ рассмотренных задач показывает, что, несмотря на очевидные достоинства (простота, независимость от количества процессов, отсутствие активного ожидания), семафорные механизмы имеют и ряд недостатков. Эти механизмы являются слишком примитивными, так как семафор не указывает непосредственно на синх-
ронизирующее условие, с которым он связан, или на критический ресурс. Поэтому при построении сложных схем синхронизации алгоритмы решения задач порой получаются весьма непростыми, ненаглядными и трудными для доказательства их правильности.
Необходимо иметь очевидные решения, которые позволят прикладным программистам без лишних усилий, связанных с доказательством правильности алгоритмов и отслеживанием большого числа взаимосвязанных объектов, создавать параллельные взаимодействующие программы. К таким решениям можно отнести так называемые мониторы, предложенные Хоаром [52].
В параллельном программировании монитор — это пассивный набор разделяемых переменных и повторно входимых процедур доступа к ним, которым процессы пользуются в режиме разделения, причем в каждый момент им может пользоваться только один процесс.
Рассмотрим, например, некоторый ресурс, который разделяется между процессами каким-либо планировщиком [17]. Каждый раз, когда процесс желает получить в свое распоряжение какие-то ресурсы, он должен обратиться к программе-планировщику. Этот планировщик должен иметь переменные, с помощью которых можно отслеживать, занят ресурс или свободен. Процедуру планировщика разделяют все процессы, и каждый процесс может в любой момент захотеть обратиться к планировщику. Но планировщик не в состоянии обслуживать более одного процесса одновременно. Такая процедура-планировщик и представляет собой пример монитора.
Таким образом, монитор — это механизм организации параллелизма, который содержит как данные, так и процедуры, необходимые для динамического распределения конкретного общего ресурса или группы общих ресурсов. Процесс, желающий получить доступ к разделяемым переменным, должен обратиться к монитору, который либо предоставит доступ, либо откажет в нем. Необходимость входа в монитор с обращением к какой-либо его процедуре (например, с запросом на выделение требуемого ресурса) может возникать у многих процессов. Однако вход в монитор находится под жестким контролем — здесь осуществляется взаимное исключение процессов, так что в каждый момент времени только одному процессу разрешается войти в монитор. Процессам, которые хотят войти в монитор, когда он уже занят, приходится ждать, причем режимом ожидания автоматически управляет сам монитор. При отказе в доступе монитор блокирует обратившийся к нему процесс и определяет условие ожидания. Проверка условия выполняется самим монитором, который и деблокирует ожидающий процесс. Поскольку механизм монитора гарантирует взаимное исключение процессов, исключаются серьезные проблемы, связанные с организацией параллельных взаимодействующих процессов.
Внутренние данные монитора могут быть либо глобальными (относящимися ко всем процедурам монитора), либо локальными (относящимися только к одной конкретной процедуре). Ко всем этим данным можно обращаться только изнутри монитора; процессы, находящиеся вне монитора и, по существу, только вызывающие его процедуры, просто не могут получить доступ к данным монитора. При
238 Глава 7. Организация параллельных взаимодействующих вычислений
первом обращении монитор присваивает своим переменным начальные значения. При каждом последующем обращении используются те значения переменных, которые остались от предыдущего обращения.
Если процесс обращается к некоторой процедуре монитора, а соответствующий ресурс уже занят, эта процедура выдает команду ожидания WAIT с указанием условия ожидания. Процесс мог бы оставаться внутри монитора, однако, если в монитор затем войдет другой процесс, это будет противоречить принципу взаимного исключения. Поэтому процесс, переводящийся в режим ожидания, должен вне монитора ждать того момента, когда необходимый ему ресурс освободится.
Со временем процесс, который занимал данный ресурс, обратится к монитору, чтобы возвратить ресурс системе. Соответствующая процедура монитора при этом может просто принять уведомление о возвращении ресурса, а затем ждать, пока не поступит запрос от другого процесса, которому потребуется этот ресурс. Однако может оказаться, что уже имеются процессы, ожидающие освобождения данного ресурса. В этом случае монитор выполняет команду извещения (сигнализации) SIGNAL, чтобы один из ожидающих процессов мог получить данный ресурс и покинуть монитор. Если процесс сигнализирует о возвращении (иногда называемом освобождением) ресурса и в это время нет процессов, ожидающих данного ресурса, то подобное оповещение не вызывает никаких других последствий, кроме того, что монитор, естественно, вновь внесет ресурс в список свободных. Очевидно, что процесс, ожидающий освобождения некоторого ресурса, должен находиться вне монитора, чтобы другой процесс имел возможность войти в монитор и возвратить ему этот ресурс.
Чтобы гарантировать, что процесс, находящийся в ожидании некоторого ресурса, со временем получит этот ресурс, считается, что ожидающий процесс имеет более высокий приоритет, чем новый процесс, пытающийся войти в монитор. В противном случае новый процесс мог бы перехватить ожидаемый ресурс до того, как ожидающий процесс вновь войдет в монитор. Если допустить многократное повторение подобной нежелательной ситуации, то ожидающий процесс мог бы откладываться бесконечно. Для систем реального времени можно допустить использование дисциплины обслуживания на основе абсолютных или динамически изменяемых приоритетов.
В качестве примера рассмотрим простейший монитор для выделения одного ресурса (листинг 7.16).
Единственный ресурс динамически запрашивается и освобождается процессами, которые обращаются к процедурам REQUEST (запрос) и RELEASE (освободить). Если процесс обращается к процедуре REQUEST в тот момент, когда ресурс используется, значение переменной busy (занято) будет равно true, и процедура REQUEST выполнит операцию монитора WAIT(free). Эта операция блокирует не процедуру REQUEST, а обратившийся к ней процесс, который помещается в конец очереди процессов, ожидающих, пока не будет выполнено условие free (свободно).
Когда процесс, использующий ресурс, обращается к процедуре RELEASE, операция монитора SIGNAL деблокирует процесс, находящийся в начале очереди, не позволяя исполняться никакой другой процедуре внутри того же монитора. Этот деблокированный процесс будет готов возобновить исполнение процедуры REQUEST сразу же после операции WAIT(free), которая его и блокировала. Если операция SIGNAL(free) выполняется в то время, когда нет процесса, ожидающего условия free, то никаких действий не выполняется.
Использование монитора в качестве основного средства синхронизации и связи освобождает процессы от необходимости явно разделять между собой информацию. Напротив, доступ к разделяемым переменным всегда ограничен телом монитора, и, поскольку мониторы входят в состав ядра операционной системы, разделяемые переменные становятся системными переменными. Это автоматически исключает необходимость в критических секциях (так как в каждый момент монитором может пользоваться только один процесс, то два процесса никогда не смогут получить доступ к разделяемым переменным одновременно).
Монитор является пассивным объектом в том смысле, что это не процесс; его процедуры выполняются только по требованию процесса.
Хотя по сравнению с семафорами мониторы не представляют собой существенно более мощного инструмента для организации параллельных взаимодействующих вычислительных процессов, у них есть некоторые преимущества перед более примитивными синхронизирующими средствами. Во-первых, мониторы очень гибки. В форме мониторов можно реализовать не только семафоры, но и многие другие синхронизирующие операции. Например, разобранный в разделе «Средства синхронизации и связи взаимодействующих вычислительных процессов» механизм решения задачи «поставщик-потребитель» легко запрограммировать в виде монитора. Во-вторых, локализация всех разделяемых переменных внутри тела монитора позволяет избавиться от малопонятных конструкций в синхронизируемых процессах — сложные взаимодействия процессов можно синхронизировать наглядным образом. В-третьих, мониторы дают процессам возможность совместно ис-
пользовать программные модули, представляющие собой критические секции. Если несколько процессов совместно используют ресурс и работают с ним совершенно одинаково, то в мониторе достаточно только одной процедуры, тогда как решение с семафорами требует, чтобы в каждом процессе имелся собственный экземпляр критической секции. Таким образом, мониторы по сравнению с семафорами позволяют значительно упростить организацию взаимодействующих вычислительных процессов и дают большую наглядность при совсем незначительной потере в эффективности.
первом обращении монитор присваивает своим переменным начальные значения. При каждом последующем обращении используются те значения переменных, которые остались от предыдущего обращения.
пользовать программные модули, представляющие собой критические секции. Если несколько процессов совместно используют ресурс и работают с ним совершенно одинаково, то в мониторе достаточно только одной процедуры, тогда как решение с семафорами требует, чтобы в каждом процессе имелся собственный экземпляр критической секции. Таким образом, мониторы по сравнению с семафорами позволяют значительно упростить организацию взаимодействующих вычислительных процессов и дают большую наглядность при совсем незначительной потере в эффективности.