Мультипроцессорные системы. Семафорная техника синхронизации и упорядочивания процессов. Стек – средство обработки структурированных программ
Для систем, состоящих из нескольких процессоров, нужны специальные мультипроцессорные ОС (WindowsNT). В основном функции все те же, но есть и отличие: планировщик процессов может уделять пользовательским заданиям более одного ЦП, поэтому в активном состоянии может находиться несколько процессов. Это называется истинной многозадачностью.
Простейшая мультипроцессорная система.
В этой структуре посылка запроса от ЦПi к ЦПк – единственный способ получения доступа одного процессора к ресурсам другого. Эта мультипроцессорная система со слабосвязанными процессорами. Основной функцией такой ОС является управление сообщениями и их расшифровка. Сообщения принимаются соответствующей частью ОС, работающей с данным процессором, и эта система блокирует активные процессы и передаёт свой процесс в качестве ресурса другому процессору. Есть системы с сильно связанными процессорами:
Процессорный блок
Структура а) master-slave (главный-подчиненный).
Всё управление ресурсами и другими функциями ОС осуществляется одним главным процессором, а подчинённые процессоры выполняют задание пользователя. Процессоры взаимодействуют между собой либо по линиям связи, либо через рабочие области оперативной памяти. Для всех процессоров совместно используется память и файлы данных.
Недостаток - несбалансированное использование ресурсов центрального процессора. Он может быть перегружен запросами. Остальные процессоры будут стоять. В этой системе программы и структуры данных не разделяются, и они используются только главным процессором.
Структура б) симметричный.
В этой структуре любой процессор может выполнять любую функцию ОС. Все процессоры равноправны. Неисправность одного
процессора не приводит к выходу из строя всей системы. Различные части ОС могут выполняться различными процессорами, которые
имеют равноправный доступ ко всем структурам ОС. Однако, здесь могут возникать конфликтные ситуации, вследствие чего в ОС должны быть средства управления доступа к управлению данным и критическая таблица ОС. Роль этих средств выполняет сильно развитый механизм семафоров и мониторов доступа, которые в случае захвата ресурса одним процессором блокирует остальные процессоры.
Механизм управления и средства взаимодействия параллельных процессов.
Управление параллельно-развивающимися процессами определяется характером взаимодействия между ними. Это значит, что существуют группы задач по управлению этими процессами. Для управления параллельными процессами ОС определяем процессы в виде синхронизирующих правил, зависящих от вида отношений между ними:
1) Отношение предшествования (порождающие и порожденные процессы);
2) Отношение приоритетности;
3) Отношение взаимного исключения.
Реализация синхронизирующих правил осуществляется с помощью механизмов синхронизации, которых к данному времени разработано много и реализация которых обычно имеет параллельно-аппаратную форму. Эти механизмы выполняют двоякую роль:
1) Они обеспечивают способ упорядочивания развития процессов;
2) Они обеспечивают взаимодействие между процессами.
Типичные задачи синхронизации:
1) Задача взаимного исключения;
2) Производитель-потребитель;
3) Читатели-писатели;
4) «Обедающие философы» - задача распределения пересекаю-щихся ресурсов.
1) Задача взаимного исключения.
Нужно согласовать работу N>2 параллельных процессов при использовании некоторого критического ресурса при следующих требованиях:
n одновременно внутри критической области должно находиться не более одного процесса;
n критические области не имеют приоритетов в отношении друг к другу;
n остановка процесса вне его критической области не должна влиять на дальнейшую работу по использованию критического ресурса;
n решения обхождения равно приоритетных процессов в их критической области не откладывается на неприоритетное время;
n относительные скорости процессов неизвестны и производны;
n процесс, использующий критический ресурс, выходит из критической области за конечное время.
2)Задача производитель-потребитель.
Простейший случай взаимодействия двух процессов с жестко закреплёнными функциями: один процесс вырабатывает сообщение (производитель), а другой их обрабатывает (потребитель).
Взаимодействие этих процессов производится через некоторую обобщенную область оперативной памяти, которая по смыслу и представляет критический ресурс.
Требования:
--выполнить требования взаимного исключения по отношению к критическому ресурсу;
--учитывать состояние обобщенной области памяти.
Механические управления
3)Задача читатели-писатели.
Обычно она возникает при построении файловых систем. Критический ресурс – некоторая область памяти, и с этой областью памяти работают процессы двух типов: читатели и писатели. Запись информации в эту область должна производиться на основе взаимоисключений (записывает только один процесс).
Процессы «читатели» могут считывать информацию из этой области одновременно. Наиболее широко распространённый метод решения этой задачи – установка приоритетов для «читателей».
4)Задача «Обедающие философы».
Пусть х, у, z – параллельные процессы.
Р1 – устройство ввода;
Р2 – печатающее устройство;
Р3 – накопитель на магнитном диске;
Для активного состояния процесса Х требуется Р1 и Р2 , для У - Р2 и Р3 , для Z - Р1 и Р3. Скорости развития процессов – произвольная.
Возникают две ситуации:
1) «тупиковая», когда ни один из процессов не может получить ресурса;
2) «голодание», когда один процесс блокируется на неопределённое время.
Семафорная техника синхронизации и упорядочивания процессов.
В 1955 году Дейкстра ввёл понятие «семафорная техника». Дейкстер реализовал это программно.
Все виды решения задач синхронизации базируются на двух примитивах: P и V.
Примитив Р ставится впереди критической области, а V – в конце критической области. В каждом процессе они есть. Эти примитивы неделимы и взаимно исключают друг друга. Они основаны на использовании семафоров.
Семафор – это системная переменная специального типа, над которой можно производить две операции: открытия и закрытия. Семафорный механизм работает по двухэтапной схеме и использует механизм пассивного ожидания.
В состав семафорного механизма включены средства формирования и обслуживания очередей процессов, которым не удаётся успешно выполнить операцию закрытия семафора.