malyshkin_ve_korneev_vd_-_parallelnoe_programmirovanie_multikompyuterov
.pdfправила может быть причиной ошибок в параллельных программах.
При использовании сетей Петри в языках программирования стандартные схемы управления (например,
сеть управления конвейерным исполнением процедур) могут быть описаны как управляющие процедуры, например:
control procedure pipiline (t0, p4, t1, p5, t2);
<описание сети примера П4>;
Теперь при необходимости задать в программе конвейерное вычисление некоторых процедур, их имена подставляются в обращение к управляющей процедуре pipiline вместо формальных параметров t0, t1, t2.
call pipiline (t0=proc1, p4=2, t1=proc2, p5=3, t2=proc3)
Наличие библиотеки стандартных управляющих процедур способно значительно облегчить отладку взаимодействия процессов.
Сеть примера П4 может быть использована также для управления асинхронным каналом при описания и реализации message passing interface в языках с асинхронными взаимодействиями.
Cети Петри удобны для задания прямого управления в теоретических работах при исследовании параллелизма. К
108
сожалению оказалось, что их трудно использовать в языках программирования как в силу большой времяемкости моделирования их поведения, так и в силу сложности конструирования и отладки заданного ими прямого управления.
109
3.8.Реализация управления взаимодействующими
процессами
Сети Петри описывали поведение процессов, но не определяли, как это поведение реализовать (запрограммировать).
В языках программирования для этого разработаны многочисленные средства, в основе которых лежат операции над семафорами.
3.8.1.Семафоры
Семафоры являются тем базовым средством, с помощью которого можно реализовать в программе управление параллельно протекающими процессами, их синхронизацию и взаимодействия.
Семафор S есть переменная типа integer, которая после инициализации начального значения доступна только посредством семафорных операций P (от голландского слова proberen - проверить) и V (от голландского слова verhogen -
увеличить, прирастить). Никаким другим способом значение семафорной переменной не может быть ни проверено, ни изменено.
Операции P и V определяются следующим образом:
P(S): while S ≤ 0 do skip;
S:=S-1;
V(S): S:=S+1;
110
Каждая из операций P и V является неделимой, т.е. если семафорная переменная изменяется одной из операций, то в это время к ней нет доступа ни для какого процесса. Таким образом,
изменение значения семафорной переменной (S:=S-1 или
S:=S+1) может делаться только одной операцией (одним процессом).
В определении семафорной операции P оператор цикла while S ≤ 0 do skip;
описывает алгоритм выполнения операции P(S). В реализации операции P нет, конечно, необходимости реально циклить на этом операторе. Обычно операция P(S) реализуется таким образом, что если в процессе при выполнении операции P(S)
удовлетворяется условие S≤0, то процесс переводится в состояние ожидания и вновь инициируется только по выполнению операции V(S) в любом из процессов.
Понятно, что при доступе к семафору тоже возможна ситуация вечного ожидания - один из процессов постоянно не получает разрешения завершить операцию P(S).
Неделимое исполнение семафорных операций в мультипроцессорах с разделяемой памятью (все процессоры работают над общей памятью) обеспечивается специальной машинной инструкцией “ Проверить и изменить”. Оборудование допускает исполнение этой инструкции только одним
111
процессором (и, следовательно, только в одном процессе). Все остальные процессоры задерживаются на время ее исполнения.
В мультикомпьютерах семафорные операции реализуются программным обеспечением.
3.8.2. Задача взаимного исключения
Взаимное исключение может быть реализовано с помощью семафоров следующим образом.
Пусть для n процессов Proc(i), i=1,2, ... ,n, должно быть обеспечено взаимное исключение при доступе к некоторому ресурсу (все равно какому). Для программирования взаимного исключения используется семафорная переменная mutex (mutual exclusion). Тогда структура программы i-го процесса такова:
var mutex=1: semaphore;
/* семафорная переменная mutex инициируется со значением 1 */
Proc(i) :
repeat
. . . /* начальная часть программы процесса*/
P(mutex)
. . . /*критический интервал*/
V(mutex)
. . . /* заключительная часть программы процесса
*/
112
until false
Программу процесса составляют операторы языка программирования, заключенные между операторами repeat и until. Логически программа процесса делится на три части.
Участок программы процесса между операторами P(mutex) и V(mutex) называется критическим интервалом. Здесь выполняются те вычисления, ради которых затевалось взаимное исключение. Критический интервал “ охраняется” семафором mutex от влияния других процессов. Действительно, если инициализировать семафорную переменную mutex значением 1,
то только один процесс будет в состоянии выполнить операцию
P и войти в свой критический интервал. Все остальные процессы будут ожидать на операторе
while mutex ≤ 0 do skip;
Завершив выполнение критического интервала, процесс выполнит оператор V(mutex) и увеличит значение семафорной переменной mutex на единицу. Следовательно, один из ожидающих процессов (неизвестно какой) получит право войти в свой критический интервал.
Если инициировать семафорную переменную со значением, например, 3, то тогда 3 процесса получат право одновременно выполнять свои критические интервалы.
113
3.8.3. Задача производитель/потребитель с ограниченным
буфером
Накопительный буфер имеет два пограничных состояния,
ограничивающих активность процессов-потребителей и процессов-производителей:
буфер пуст - процессы-потребители должны ждать
и
буфер полон - процессы-производители должны ждать.
Заведем соответственно два семафора для описания этих состояний:
b_empty - содержит количество свободных позиций для размещения новых элементов данных в буфере, инициализируется значением n,
и
b_full - содержит количество элементов данных в буфере,
инициализируется значением 0.
Еще один семафор - mutex - обеспечивает взаимное исключение процессов.
var b_empty=n, b_full=0, mutex=1: semaphore; . . .
var full=0, empty=n; /*счетчики элементов и свободных мест
Producer||Consumer;
/* оператор || разрешает параллельное исполнение процессов Producer и Consumer */
Producer:
114
{
repeat
...
производится очередной элемент данных
...
P(b_empty); /*число работающих процессов-
производителей не должно превышать числа свободных мест в буфере*/
P(mutex);
...
добавляется вновь произведенный элемент данных в буфер
...
V(mutex);
V(b_full); until false;
};
Consumer:
{
repeat
P(b_full); /*число работающих процессов-
потребителей не должно превышать числа произведенных элементов в буфере*/
115
P(mutex);
...
элемент данных забирается из буфера
...
V(mutex);
V(b_empty);
...
until false;
}
3.8.4. Задача читатели-писатели
Рассмотрим более сложный пример решения задачи программирования взаимодействия множества процессов с использованием семафоров. Пусть выполняются n процессов,
которые разделяют некоторую переменную программы. Часть процессов - писатели - только модифицируют разделяемый объект, другие - читатели - только считывают значение.
Необходимо организовать корректное выполнение этой системы взаимодействующих процессов.
Прежде всего отметим, что процессы-читатели могут иметь одновременный доступ к разделяемому объекту, т.к.
чтение не меняет значение объекта и, следовательно, процессы-
читатели не могут влиять друг на друга. Для процессов-
116
писателей следует организовать взаимное исключение при доступе к разделяемому объекту.
Далее, процессы-писатели должны иметь преимущество при доступе к разделяемому объекту, поскольку они готовы записать новые данные. Следовательно, процессы-читатели должны получать доступ к разделяемому объекту лишь в том случае, если нет процессов-писателей, желающих получить доступ к этому разделяемому объекту. А потому, если процесс-
писатель изъявил желание получить доступ к разделяемому объекту, то все процессы-читатели, которые в этот момент времени тоже желают получить доступ к разделяемому объекту,
должны быть задержаны. С другой стороны, процессы-читатели нехорошо совершенно дискриминировать и потому процессы-
читатели, изъявившие желание получить доступ к разделяемому объекту до того, как появился процесс-писатель, должны иметь возможность завершить чтение.
Эта модельная задача может реально интерпретироваться.
Такая схема взаимодействий должна быть реализована, если нужно, к примеру, сделать Интернет-газету, которую любой читатель может читать, а репортеры (процессы-писатели) могут в любой момент, по мере поступления новой информации, её обновлять
Для программирования такого взаимодействия будут использованы 4 семафорные переменные Mutex_n_writers,
117