Синхронизация процессов и потоков. Основные понятия и проблемы
Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с помощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков.
Синхронизация необходима для исключения гонок и тупиков при:
• обмене данными между потоками,
• разделении данных,
• при доступе к процессору
• при доступе устройствам ввода-вывода
Во многих операционных системах эти средства называются средствами межпроцессного взаимодействия— Inter Process Communications (IPC), что отражает историческую первичность понятия «процесс» по отношению к понятию «поток».
Обычно к средствам IPC относят не только средства межпроцессной синхронизации, но и средства межпроцессного обмена данными
Выполнение потока в мультипрограммной среде всегда имеет асинхронный характер.
Очень сложно с полной определенностью сказать, на каком этапе выполнения будет находиться процесс в определенный момент времени.
Любое взаимодействие процессов или потоков связано с их синхронизацией, которая заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события
Синхронизация лежит в основе любого взаимодействия потоков, связано ли это взаимодействие с разделением ресурсов или с обменом данными.
Для синхронизации потоков прикладных программ программист может использовать как собственные средства и приемы синхронизации, так и средства операционной системы
Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы.
Рассмотрим задачу ведения базы данных клиентов некоторого предприятия
Рис.Возникновение гонок при доступе к разделяемым данным
Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой среди прочих полей имеются поля Заказ и Оплата.
Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе поток А, который заносит в базу данных информацию о заказах, поступивших от клиентов, и поток В, который фиксирует в базе данных сведения об оплате клиентами выставленных счетов.
Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы, включающие три шага.
1. Считать из файла базы данных в буфер запись о клиенте с заданным идентификатором.
2. Внести новое значение в поле Заказ (для потока А) или Оплата (для потока В).
3. Вернуть модифицированную запись в файл базы данных.
Обозначим соответствующие шаги для потока А как Al, A2 и A3, а для потока В как Bl, B2 и ВЗ.
Предположим, что в некоторый момент поток А обновляет поле Заказ записи о клиенте N. Для этого он считывает эту запись в свой буфер (шаг А1), модифицирует значение поля Заказ (шаг А2), но внести запись в базу данных (шаг A3) не успевает, так как его выполнение прерывается, например, вследствие завершения кванта времени
Предположим также, что потоку В также потребовалось внести сведения об оплате относительно того же клиента N. Когда подходит очередь потока В, он успевает считать запись в свой буфер (шаг В1) и выполнить обновление поля Оплата (шаг В2), а затем прерывается.
Заметим, что в буфере у потока В находится запись о клиенте N, в которой поле Заказ имеет прежнее, не измененное значение.
Когда в очередной раз управление будет передано потоку А, то он, продолжая свою работу, запишет запись о клиенте N с модифицированным полем Заказ в базу данных (шаг A3).
После прерывания потока А и активизации потока В последний запишет в базу данных поверх только что обновленной записи о клиенте N свой вариант записи, в которой обновлено значение поля Оплата.
Таким образом, в базе данных будут зафиксированы сведения о том, что клиент N произвел оплату, но информация о его заказе окажется потерянной (рис. а).
Сложность проблемы синхронизации кроется в нерегулярности возникающих ситуаций.
Так, в предыдущем примере можно представить и другое развитие событий: могла быть потеряна информация не о заказе, а об оплате (рис. б)
Или, напротив, все исправления были успешно внесены (рис. в).
Все определяется взаимными скоростями потоков и моментами их прерывания.
Поэтому отладка взаимодействующих потоков является сложной задачей.
Ситуации, подобные той, когда два или более потоков обрабатывают разделяемые данные и конечный результат зависит от соотношения скоростей потоков, называются гонками.
Рис.Влияние относительных скоростей потоков на результат решения задачи
