ПРИМЕЧАНИЕ. Приоритет обработчиков прерываний не совпадает в общем случае с приоритетом потоков

Приоритет обработчиков прерываний не совпадает в общем случае с приоритетом потоков, выполняемых в обычной последовательности, определяемой планировщиком потоков. По отношению к обработчикам прерываний любой поток, который назначен на выполнение планировщиком, имеет самый низкий приоритет, так что любой запрос на прерывание всегда может прервать выполнение этого потока.

Функции централизованного диспетчера прерываний на примере Windows NT

Некоторые процессоры или контроллеры прерываний компьютера на аппаратном уровне поддерживают приоритезацию запросов на прерывание. Например, в процессорах MIPS существует несколько уровней аппаратных запросов на прерывания и несколько уровней программных запросов. В процессоре имеется внутренняя переменная, называемая уровнем прерываний процессора. Прерывание происходит только в том случае, когда уровень запроса на прерывание выше текущего уровня прерываний процессора. Имеется также привилегированная инструкция, с помощью которой код ядра ОС может изменить уровень прерываний процессора. Необработанные запросы на прерывания должны храниться в контроллерах устройств, чтобы не потеряться и дождаться обслуживания при снижении уровня прерывания процессора, когда он закончит выполнение более срочных работ. При работе на такого рода аппаратной платформе ОС может пользоваться встроенными в процессор средствами приоритезация прерываний для упорядочивания процесса их обработки. Однако такие средства имеются не у всех процессоров, например процессоры семейства Pentium не имеют встроенной переменной для фиксации уровня прерываний исполняемого кода — аппаратные прерывания могут быть либо полностью запрещены, либо полностью разрешены (а наиболее критичные нельзя запретить вовсе).

Для исключения зависимости от аппаратной платформы в некоторых ОС вводится собственная программная система приоритетов прерываний. Примером такой ОС может служить Windows NT.

Диспетчер прерываний Windows NT (так называемый Trap Handler) работает с программной моделью прерываний, единой для всех аппаратных платформ, поддерживаемых Windows NT. Все источники прерываний (аппаратных и программных, а также некоторых важных для системы исключений, например исключения по ошибке шины) делятся на несколько классов, и каждому классу присваивается уровень запроса прерывания — Interrupt Request Level, IRQL Этот уровень и представляет приоритет данного класса. Операционная система программным способом поддерживает внутреннюю переменную, называемую IRQL выполняемого процессором кода, которая по назначению соответствует уровню прерывания процессора. Если процессор, на котором работает ОС, поддерживает такую переменную, то она используется и IRQL выполняемого кода отображается на нее, в противном случае соответствующие функции процессора эмулируются программно.

Общая схема планирования обработки прерываний выглядит в Windows NT следующим образом. При поступлении в процессор сигнала запроса на прерывание/исключение вызывается диспетчер прерываний, который запоминает информацию об источнике прерывания и анализирует его приоритет. Если приоритет запроса ниже или равен IRQL прерванного кода, то обслуживание этого запроса откладывается и данные о запросе помещаются в соответствующую очередь запросов, после чего происходит быстрый возврат к прерванному обработчику прерываний. По завершении обработки высокоприоритетного прерывания управление возвращается диспетчеру прерываний, который просматривает очереди отложенных прерываний и выбирает из них наиболее приоритетное. При этом уровень IRQL снижается до уровня выбранного прерывания.

Если же запрос имеет более высокий приоритет, чем IRQL текущего кода, то текущий обработчик прерываний вытесняется и ставится в очередь, соответствующую его значению IRQL, а управление передается новому обработчику в соответствии с IRQL запроса. После этого уровень IRQL процессора делается равным уровню IRQL принятого на выполнение запроса.

Таким образом, запрос на прерывание принимается диспетчером прерываний всегда независимо от текущего уровня IRQL выполняемого кода, но диспетчер прерываний не передает его на обработку соответствующей процедуре обработки прерываний, а помещает в программную очередь запросов, если в данный момент выполняется более приоритетная процедура обработки прерываний. Операционная система имеет полный контроль над ситуацией, не позволяя контроллерам устройств ввода-вывода принимать решения о ходе вычислительного процесса.

В Windows NT низший уровень IRQL соответствует обычным потокам, назначаемым на выполнение диспетчером потоков (рис. 4.13). Это является некоторым допущением, так как код потоков начинает выполняться процессором не в результате запроса на прерывание, но это допущение хорошо работает, поскольку позволяет любому «настоящему» запросу прерывать код обычного потока.

Рис. 4.13. Диспетчеризация прерываний в Windows NT

Высший уровень в иерархии IRQL отводится таким важным событиям, как исключение по ошибке шины и другим тяжелым аппаратным сбоям, далее располагаются запрос на прерывание по сбою питания и запрос на межпроцессорное прерывание.

Прерывания от внешних устройств занимают промежуточные уровни IRQL. Конкретное соотношение между приоритетами внешних устройств определяется приоритетами, задаваемыми аппаратной платформой, например уровнем IRQ шины PCI, назначенным устройству.

Особую роль в работе вычислительной системы играет системный таймер: на основании его прерываний обновляются системные часы, определяющие очередной момент вызова планировщика потоков, момент выдачи управляющего воздействия потоком реального времени и многое другое. Ввиду важности немедленной обработки прерываний от таймера, ему в Windows NT дан весьма высокий уровень приоритета — более высокий, чем уровень любого устройства ввода-вывода.

В системе очередей диспетчера прерываний несколько очередей отведено для обслуживания отложенных программных прерываний.

Программные прерывания, обслуживающие системные вызовы от приложений, выполняются с низшим уровнем приоритета, что соответствует концепции продолжения одного и того же процесса, но только в системной фазе, при выполнении системного вызова. А вот для программных прерываний, исходящих от модулей ядра ОС, отводится более высокий уровень запросов, имеющий двойное название «диспетчерский/DPO.

Этот уровень приоритета называется диспетчерским, потому что именно в эту очередь помещаются программные запросы, вызывающие диспетчер потоков. Часто при обработке высокоприоритетных прерываний возникает ситуация, требующая перепланирования потоков. Например, при обработке очередного прерывания от таймера нужно проверить, не исчерпан ли квант, выделенный текущему потоку. Другим примером может служить обработка прерывания от контроллера диска после завершения дисковой операции, которую могут ждать несколько потоков. Во всех таких ситуациях в Windows NT планировщик/диспетчер вызывается высокоуровневыми процедурами ядра не прямо посредством вызова процедуры, а косвенно, с помощью программного прерывания. Это дает возможность отделить короткую, но требующую быстрой реакции системы процедуру обслуживания высокоприоритетного прерывания (например, наращивание системных часов) от менее критичной операции перепланирования пользовательских потоков. Прямой вызов планировщика/диспетчера потоков такой возможности бы не дал, и критичные запросы прерывания от контроллеров устройств ввода-вывода вынуждены были бы ждать, пока отработает планировщик. При этом планировщик, возможно, выбрал бы для выполнения другой поток, если бы работал после процедур обслуживания аппаратных прерываний, так как он получил бы свежие сведения о завершении некоторых операций ввода-вывода. Помещение вызова планировщика потоков в очередь позволяет выполнять его только в тех ситуациях, когда в системе отсутствуют ожидающие аппаратные запросы прерываний.

Наличие отдельного уровня для планировщика/диспетчера потоков не означает того, что он всегда вызывается с помощью программных прерываний. В тех случаях, когда он вызывается из кода, имеющего низкий уровень запроса на прерывание (если он выполняется, значит, высокоприоритетные запросы на прерывание отсутствуют), планировщик может быть вызван быстрее путем непосредственного внутрисегментного вызова процедуры. Например, системному вызову, переводящему поток по собственному желанию в состояние ожидания, нет смысла вызывать планировщик потоков по программному прерыванию.

Второе название диспетчерского уровня, DPC, являясь аббревиатурой от Deffered Procedure Call (вызов отложенной процедуры), говорит о том, что на этом уровне ожидают своей очереди отложенные вызовы и других процедур ОС, а не только планировщика/диспетчера. Процедуры ОС могут вызывать друг друга и непосредственно, но при многослойном построении ядра существуют более и менее приоритетные процедуры, и вызов менее приоритетных процедур из более приоритетных с помощью механизма программных прерываний позволяет, как и в случае с планировщиком, упорядочить во времени их выполнение, что оптимизирует работу ОС в целом. Примером процедур ОС, работающих на высоком приоритетном уровне, являются те части драйверов устройств ввода-вывода, которые выполняют короткие, но критичные ко времени реакции действия. В то же время существуют и другие части драйверов, которые выполняют менее срочную, но более объемную работу¹. В Windows NT такие части драйверов оформляют как процедуры, вызываемые с помощью программных прерываний уровня «диспетчерский/DPC» (ВРОпроцедуры), а само программное прерывание выполняет критичная часть драйвера. Естественно, существуют и другие модули ОС, оформляемые подобным образом.

1 В операционных системах семейства UNIX эти части называют соответственно верхними половинами (top half) и нижними половинами (bottom half) обработчика прерываний.

Описанная программная реализация приоритетного обслуживания прерываний приводит к однотипной работе ОС Windows NT на различных аппаратных платформах, что упрощает логику работы ОС и ее перенос на новые платформы. Отрицательным следствием такого централизованного подхода является некоторое замедление обработки прерываний, так как вместо непосредственной передачи управления драйверу устройства или обработчику исключений выполняется вызов некоего посредника — диспетчера прерываний. В ОС семейства UNIX принят похожий, но менее централизованный подход к ведению и обработке очередей прерываний. Вместо единого диспетчера прерываний его функции выполняют процедуры, обслуживающие каждый приоритетный класс прерываний. Тем не менее, общий подход к упорядочиванию обработки прерываний за счет их многоуровневой приоритезации и ведения системы очередей присутствует практически во всех современных операционных системах.

Процедуры обработки прерываний и текущий процесс

Важной особенностью процедур, выполняемых по запросам прерываний, является то, что они выполняют работу, чаще всего никак не связанную с текущим процессом. Например, драйвер диска может получить управление после того, как контроллер диска записал в соответствующие сектора информацию, полученную от процесса А, но этот момент времени, скорее всего, не совпадет с периодом очередной итерации выполнения процесса А или его потока. В наиболее типичном случае процесс А будет находиться в состоянии ожидания завершения операции ввода-вывода (при синхронном режиме выполнения этой операции) и драйвер диска прервет какой-либо другой процесс, например процесс В. В Windows NT процедуры, вызываемые как DPC, также могут работать в контексте процесса, отличающегося от того, для которого они выполняют свои функции. В некоторых случаях вообще трудно однозначно определить, для какого процесса выполняет работу тот или иной программный модуль ОС, например планировщик потоков. Поэтому для такого рода процедур вводятся ограничения — они не имеют права использовать ресурсы (память, открытые файлы и т. п.), с которыми работает текущий процесс, или же от имени этого процесса запрашивать выделение дополнительных ресурсов. Процедуры обработки прерываний работают с ресурсами, которые были выделены им при инициализации соответствующего драйвера или инициализации самой операционной системы. Эти ресурсы принадлежат операционной системе, а не конкретному процессу. В частности, память выделяется драйверам из системной области, то есть той области, на которую отображаются сегменты из общей части виртуального адресного пространства всех процессов. Поэтому обычно говорят, что процедуры обработки прерываний работают вне контекста процесса. Поскольку все подобные процедуры являются частью операционной системы, ответственность за соблюдение этих ограничений несет системный программист. Заставить свои модули выполнять эти ограничения ОС не может.

Хороший пример того, что не бывает правил без исключений, предоставляет нам ОС Windows NT. В ней существуют процедуры обработки прерываний, которые выполняются всегда в контексте определенного процесса. Это процедуры, вызываемые с помощью программного прерывания АРС (Asynchronous Procedure Call, вызов асинхронной процедуры). Для них в диспетчере прерываний предусмотрен свой уровень приоритета IRQL, выше уровня для обычного кода, но ниже уровня DPC. Эти процедуры могут прервать текущий код и выполниться при соблюдении двух условий: текущий код имеет низший уровень приоритета (то есть выполняется обычный код), текущим процессом является вполне определенный процесс, описатель которого был задан в запросе на прерывание для данной процедуры АРС. Процедуры АРС могут пользоваться ресурсами текущего процесса, и, собственно, для этого они и были введены. Основное назначение АРС-процедур — перемещение данных, полученных драйвером от какого-либо устройства ввода-вывода, из памяти системной области памяти, куда они помещаются после считывания из регистров контроллера этого устройства, в индивидуальную часть адресного пространства процесса, запросившего операцию ввода-вывода. Такое действие постоянно выполняется системой ввода-вывода, и для его реализации были введены такие специфические процедуры обработки прерываний, как АРС.

Диспетчеризация прерываний является важной функцией ОС, и эта функция реализована практически во всех мультипрограммных операционных системах. Можно заметить, что в общем случае в операционной системе реализуется двухуровневый механизм планирования работ. Верхний уровень планирования выполняется диспетчером прерываний, который распределяет процессорное время между потоком поступающих запросов на прерывания различных типов — внешних, внутренних и программных. Оставшееся процессорное время распределяется другим диспетчером — диспетчером потоков, на основании дисциплин квантования и других, рассмотренных выше.

Системные вызовы

Системный вызов позволяет приложению обратиться к операционной системе с просьбой выполнить то или иное действие, оформленное как процедура (или набор процедур) кодового сегмента ОС. Для прикладного программиста операционная система выглядит как некая библиотека, предоставляющая некоторый набор полезных функций, с помощью которых можно упростить прикладную программу или выполнить действия, запрещенные в пользовательском режиме, например обмен данными с устройством ввода-вывода.

Реализация системных вызовов должна удовлетворять следующим требованиям:

§ обеспечивать переключение в привилегированный режим;

§ обладать высокой скоростью вызова процедур ОС;

§ обеспечивать по возможности единообразное обращение к системным вызовам для всех аппаратных платформ, на которых работает ОС;

§ допускать легкое расширение набора системных вызовов;

§ обеспечивать контроль со стороны ОС за корректным использованием системных вызовов.

Первое требование для большинства аппаратных платформ может быть выполнено только с помощью механизма программных прерываний. Поэтому будем считать, что остальные требования нужно обеспечить именно для такой реализации системных вызовов. Как это обычно бывает, некоторые из этих требований взаимно противоречивы.

Для обеспечения высокой скорости было бы полезно использовать векторные свойства системы программных прерываний, имеющиеся во многих процессорах, то есть закрепить за каждым системным вызовом определенное значение вектора. Приложение при таком способе вызова непосредственно указывает в аргументе запроса значение вектора, после чего управление немедленно передается требуемой процедуре операционной системы (рис. 4.14, а). Однако этот децентрализованный способ передачи управления привязан к особенностям аппаратной платформы, а также не позволяет операционной системе легко модифицировать набор системных вызовов и контролировать их использование. Например, в процессоре Pentium количество системных вызовов определяется количеством векторов прерываний, выделенных для этой цели из общего пула в 256 элементов (часть которых используется под аппаратные прерывания и обработку исключений). Добавление нового системного вызова требует от системного программиста тщательного поиска свободного элемента в таблице прерываний, которого к тому же на каком-то этапе развития ОС может и не оказаться.

В большинстве ОС системные вызовы обслуживаются по централизованной схеме, основанной на существовании диспетчера системных вызовов (рис. 4.14, б). При любом системном вызове приложение выполняет программное прерывание с определенным и единственным номером вектора. Например, ОС Linux использует для системных вызовов команду INT 80h, а ОС Windows NT (при работе на платформе Pentium) — INT 2Eh. Перед выполнением программного прерывания приложение тем или иным способом передает операционной системе номер системного вызова, который является индексом в таблице адресов процедур ОС, реализующих системные вызовы (таблица sysent на рис. 4.14). Способ передачи зависит от реализации, например номер можно поместить в определенный регистр общего назначения процессора или передать через стек (в этом случае после прерывания и перехода в привилегированный режим их нужно будет скопировать в системный стек из пользовательского, это действие в некоторых процессорах автоматизировано). Также некоторым способом передаются аргументы системного вызова, они могут как помещаться в регистры общего назначения, так и передаваться через стек или массив, находящийся в оперативной памяти. Массив удобен при большом объеме данных, передаваемых в качестве аргументов, при этом в регистре общего назначения указывается адрес этого массива.

Диспетчер системных вызовов обычно представляет собой простую программу, которая сохраняет содержимое регистров процессора в системном стеке (поскольку в результате программного прерывания процессор переходит в привилегированный режим), проверяет, попадает ли запрошенный номер вызова в поддерживавмый ОС диапазон (то есть не выходит ли номер за границы таблицы) и передает управление процедуре ОС, адрес которой задан в таблице адресов системных вызовов.

Рис. 4.14. Децентрализованная и централизованная схемы обработки системных вызовов

Процедура реализации системного вызова извлекает из системного стека аргументы и выполняет заданное действие. Это действие может быть весьма простым, например чтение значения системных часов, так что системный вызов оформляется в виде одной функции. Более сложные системные вызовы,, такие как чтение из файла или выделение процессу дополнительного сегмента памяти, требуют обращения.основной функции системного вызова к нескольким внутренним процедурам ядра ОС, принадлежащим к различным подсистемам, таким как подсистема ввода-вывода или управления памятью.

После завершения работы системного вызова управление возвращается диспетчеру, при этом он получает также код завершения этого вызова. Диспетчер восстанавливает регистры процессора, помещает в определенный регистр код возврата и выполняет инструкцию возврата из прерывания, которая восстанавливает непривилегированный режим работы процессора.

Для приложения системный вызов внешне ничем не отличается от вызова обычной библиотечной функции языка С, связанной (динамически или статически) с объектным кодом приложения и выполняющейся в пользовательском режиме. И такая ситуация действительно имеет место — для всех системных вызовов в библиотеках, предоставляемых компилятором С, имеются так называемые «заглушки» (в англоязычном варианте используется термин «stub» — остаток, огрызок). Каждая заглушка оформлена как С-функция, при этом она содержит несколько ассемблерных строк, нужных для выполнения инструкции программного прерывания. Таким образом, пользовательская программа вызывает заглушку, а та, в свою очередь, вызывает процедуру ОС.

Для ускорения выполнения некоторых достаточно простых системных вызовов, которым к тому же не требуется работа в привилегированном режиме, требуемая работа полностью выполняется библиотечной функцией, которую несправедливо называть в данном случае заглушкой. Более точно, такая функция не является системным вызовом, а представляет собой «чистую» библиотечную функцию, выполняющую всю свою работу в пользовательском режиме в виртуальном адресном пространстве процесса, но прикладной программист может об этом и не знать — для него системные вызовы и библиотечные функции выглядят единообразно. Прикладной программист имеет дело с набором функций прикладного программного интерфейса — API (например, Win32 или POSIX), — состоящего и из библиотечных функций, часть из которых пользуется для завершения работы системными вызовами, а часть — нет.

Описанный табличный способ организации системных вызовов принят практически во всех операционных системах., Он позволяет легко модифицировать состав системных вызовов, просто добавив в таблицу новый адрес и расширив диапазон допустимых номеров вызовов.

Операционная система может выполнять системные вызовы в синхронном или асинхронном режимах. Синхронный системный вызов означает, что процесс, сделавший такой вызов, приостанавливается (переводится планировщиком ОС в состояние ожидания) до тех пор, пока системный вызов не выполнит всю требующуюся от него работу (рис. 4.15, а). После этого планировщик переводит процесс в состояние готовности и при очередном выполнении процесс гарантированно может воспользоваться результатами завершившегося к этому времени системного вызова. Синхронные вызовы называются также блокирующими, так как вызвавший системное действие процесс блокируется до его завершения.

Асинхронный системный вызов не приводит к переводу процесса в режим ожидания после выполнения некоторых начальных системных действий, например запуска операции вывода-вывода, управление возвращается прикладному процессу (рис. 4.15, 6).

Большинство системных вызовов в операционных системах являются синхронными, так как этот режим избавляет приложение от работы по выяснению момента появления результата вызова. Вместе с тем в новых версиях операционных систем количество асинхронных системных вызовов постепенно увеличивается, что дает больше свободы разработчикам сложных приложений. Особенно нужны асинхронные системные вызовы в операционных системах на основе микроядерного подхода, так как при этом в пользовательском режиме работает часть ОС, которым необходимо иметь полную свободу в организации своей работы, а такую свободу дает только асинхронный режим обслуживания вызовов микроядром.

Рис. 4.15. Синхронные и асинхронные системные вызовы

Синхронизация процессов и потоков

Цели и средства синхронизации

Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с помощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков¹. Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной операционной системе и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурс об вычислительной системы. Синхронизация необходима для исключения гонок и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

1 В данном разделе мы будем говорить о синхронизации потоков, имея в виду, что если операционная система не поддерживает потоки, то все сказанное относится к синхронизации процессов.

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. Даже в однопрограммном режиме не всегда можно точно оценить время выполнения задачи. Это время во многих случаях существенно зависит от значения исходных данных, которые влияют на количество циклов, направления разветвления программы, время выполнения операций ввода-вывода и т. п. Так как исходные данные в разные моменты запуска задачи могут быть разными, то и время выполнения отдельных этапов и задачи в целом является весьма неопределенной величиной.

Еще более неопределенным является время выполнения программы в мультипрограммной системе. Моменты прерывания потоков, время нахождения их в очередях к разделяемым ресурсам, порядок выбора потоков для выполнения — все эти события являются результатом стечения многих обстоятельств и могут быть интерпретированы как случайные. В лучшем случае можно оценить вероятностные характеристики вычислительного процесса, например вероятность его завершения за данный период времени.

Таким образом, потоки в общем случае (когда программист не предпринял специальных мер по их синхронизации) протекают независимо, асинхронно друг другу. Это справедливо как по отношению к потокам одного процесса, выполняющим общий программный код, так и по отношению к потокам разных процессов, каждый из которых выполняет собственную программу.

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. Например, поток-получатель должен обращаться за данными только после того, как они помещены в буфер потоком-отправителем. Если же поток-получатель обратился к данным до момента их поступления в буфер, то он должен быть приостановлен.

При совместном использовании аппаратных ресурсов синхронизация также совершенно необходима. Когда, например, активному потоку требуется доступ к последовательному порту, а с этим портом в монопольном режиме работает другой поток, находящийся в данный момент в состоянии ожидания, то ОС приостанавливает активный поток и не активизирует его до тех пор, пока нужный ему порт не освободится. Часто нужна также синхронизация с событиями, внешними по отношению к вычислительной системе, например реакции на зажатие комбинации клавишCtrl+C.

Ежесекундно в системе происходят сотни событий, связанных с распределением и освобождением ресурсов, и ОС должна иметь надежные и производительные средства, которые бы позволяли ей синхронизировать потоки с происходящими в системе событиями.

Для синхронизации потоков прикладных программ программист может использовать как собственные средства и приемы синхронизации, так и средства операционной системы. Например, два потока одного прикладного процесса могут координировать свою работу с помощью доступной для них обоих глобальной логической переменной, которая устанавливается в единицу при осуществлении некоторого события, например выработки одним потоком данных, нужных для продолжения работы другого. Однако во многих случаях более эффективными или даже единственно возможными являются средства синхронизации, предоставляемые операционной системой в форме системных вызовов. Так, потоки, принадлежащие разным процессам, не имеют возможности вмешиваться каким-либо образом в работу друг друга. Без посредничества операционной системы они не могут приостановить друг друга или оповестить о произошедшем событии. Средства синхронизации используются операционной системой не только для синхронизации прикладных процессов, но и для ее внутренних нужд. Обычно разработчики операционных систем предоставляют в распоряжение прикладных и системных программистов широкий спектр средств синхронизации. Эти средства могут образовывать иерархию, когда на основе более простых средств строятся более сложные, а также быть функционально специализированными, например средства для синхронизации потоков одного процесса, средства для синхронизации потоков разных процессов при обмене данными и т. д. Часто функциональные возможности разных системных вызовов синхронизации перекрываются, так что для решения одной задачи программист может воспользоваться несколькими вызовами в зависимости от своих личных предпочтений.

Необходимость синхронизации и гонки

Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы. Рассмотрим, например (рис. 4.16), задачу ведения базы данных клиентов некоторого предприятия. 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.

Рис. 4.16. Возникновение гонок при доступе к разделяемым данным

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. 4.17, 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. 4.17, б) или, напротив, все исправления были успешно внесены (рис.4.17, 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. 4.17. Влияние относительных скоростей потоков на результат решения задачи

Критическая секция

Важным понятием синхронизации потоков является понятие «критической секции» программы. Критическая секция — это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено. Критическая секция всегда определяется по отношению к определенным критическим данным, при несогласованном изменении которых могут возникнуть нежелательные эффекты. В предыдущем примере такими критическими данными являлись записи файла базы данных. Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция. Заметим, что в разных потоках критическая секция состоит в общем случае из разных последовательностей команд.

Чтобы исключить эффект гонок по отношению к критическим данным, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, находится этот поток в активном или в приостановленном состоянии. Этот прием называют взаимным исключением. Операционная система использует разные способы реализации взаимного исключения. Некоторые способы пригодны для взаимного исключения при вхождении в критическую секцию только потоков одного процесса, в то время как другие могут обеспечить взаимное исключение и для потоков разных процессов.

Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения взаимного исключения состоит в том, что операционная система позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управление системой пользовательскому потоку — он может надолго занять процессор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

Блокирующие переменные

Для синхронизации потоков одного процесса прикладной программист может использовать глобальные блокирующие переменные. С этими переменными, к которым все потоки процесса имеют прямой доступ, программист работает, не обращаясь к системным вызовам ОС.

Рис. 4.18. Реализация критических секций с использованием блокирующих переменных

Каждому набору критических данных ставится в соответствие двоичная переменная, которой поток присваивает значение 0, когда он входит в критическую секцию, и значение 1, когда он ее покидает. На рис. 4.18 показан фрагмент алгоритма потока, использующего для реализации взаимного исключения доступа к критическим данным D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию поток проверяет, не работает ли уже какой-нибудь поток с данными D. Если переменная F(D) установлена в 0, то данные заняты и проверка циклически повторяется. Если же данные свободны (F(D) = 1), то значение переменной F(D) устанавливается в 0 и поток входит в критическую секцию. После того как поток выполнит все действия с данными О, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.

Блокирующие переменные могут использоваться не только при доступе к разделяемым данным, но и при доступе к разделяемым ресурсам любого вида.

Если все потоки написаны с учетом вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. При этом потоки могут быть прерваны операционной системой в любой момент и в любом месте, в том числе в критической секции.

Однако следует заметить, что одно ограничение на прерывания все же имеется. Нельзя прерывать поток между выполнением операций проверки и установки блокирующей переменной. Поясним это. Пусть в результате проверки переменной поток определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой поток занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому потоку, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелательным последствиям. Во избежание таких ситуаций в системе команд многих компьютеров предусмотрена единая, неделимая команда анализа и присвоения значения логической переменной (например, команды ВТС, BTR и ВТ5 процессора Pentium). При отсутствии такой команды в процессоре соответствующие действия должны реализовываться специальными системными примитивами¹, которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация взаимного исключения описанным выше способом имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один поток находится в критической секции, другой поток, которому требуется тот же ресурс, получив доступ к процессору, будет непрерывно опрашивать блокирующую переменную, бесполезно тратя выделяемое ему процессорное время, которое могло бы быть использовано для выполнения какого-нибудь другого потока. Для устранения этого недостатка во многих ОС предусматриваются специальные системные вызовы для работы с критическими секциями.

1 Примитив — базовая функция ОС.

На рис. 4.19 показано, как с помощью этих функций реализовано взаимное исключение в операционной системе Windows NT. Перед тем как начать изменение критических данных, поток выполняет системный вызов EnterCriticalSection(). В рамках этого вызова сначала выполняется, как и в предыдущем случае, проверка блокирующей переменной, отражающей состояние критического ресурса. Если системный вызов определил, что ресурс занят (F(D) - 0), он в отличие от предыдущего случая не выполняет циклический опрос, а переводит поток в состояние ожидания D) и делает отметку о том, что данный поток должен быть активизирован, когда соответствующий ресурс освободится. Поток, который в это время использует данный ресурс, после выхода из критической секции должен выполнить системную функцию LeaveCriticalSection(), в результате чего блокирующая переменная принимает значение, соответствующее свободному состоянию ресурса (F(D) - 1), а операционная система просматривает очередь ожидающих этот ресурс потоков и переводит первый поток из очереди в состояние готовности.

Рис. 4.19. Реализация взаимного исключения с использованием системных функций входа в критическую секцию и выхода из нее

Таким образом исключается непроизводительная потеря процессорного времени на циклическую проверку освобождения занятого ресурса. Однако в тех случаях, когда объем работы в критической секции небольшой и существует высокая вероятность в очень скором доступе к разделяемому ресурсу, более предпочтительным может оказаться использование блокирующих переменных. Действительно, в такой ситуации накладные расходы ОС по реализации функции входа в критическую секцию и выхода из нее могут превысить полученную экономию.

Семафоры

Обобщением блокирующих переменных являются так называемые семафоры Дийкстры. Вместо двоичных переменных Дийкстра (Dijkstra) предложил использовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процессов, получили название семафоров.

Для работы с семафорами вводятся два примитива, традиционно обозначаемых Р и V. Пусть переменная S представляет собой семафор. Тогда действия V(S) и P(S) определяются следующим образом.

§ V(S): переменная S увеличивается на 1 единым действием. Выборка, наращивание и запоминание не могут быть прерваны. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

§ PCS): уменьшение S на 1, если это возможно. Если 5*0 и невозможно уменьшить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.

Никакие прерывания во время выполнения примитивов V и Р недопустимы.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную, которую по этой причине часто называют двоичным семафором. Операция Р заключает в себе потенциальную возможность перехода потока, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как операция V может при некоторых обстоятельствах активизировать другой поток, приостановленный операцией Р.

Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух выполняющихся в режиме мультипрограммирования потоков, один из которых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула. Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. В общем случае поток-писатель и поток-читатель могут иметь различные скорости и обращаться к буферному пулу с переменой интенсивностью. В один период скорость записи может превышать скорость чтения, в другой — наоборот. Для правильной совместной работы поток-писатель должен приостанавливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, поток-читатель должен приостанавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи.

Введем два семафора: е — число пустых буферов, и f — число заполненных буферов, причем в исходном состоянии е =N, a f =0. Тогда работа потоков с общим буферным пулом может быть описана следующим образом (рис. 4.20).

Поток-писатель прежде всего выполняет операцию Р(е), с помощью которой он проверяет, имеются ли в буферном пуле незаполненные буферы. В соответствии с семантикой операции Р, если семафор е равен 0 (то есть свободных буферов в данный момент нет), то поток-писатель переходит в состояние ожидания. Если же значением е является положительное число, то он уменьшает число свободных буферов, записывает данные в очередной свободный буфер и после этого наращивает число занятых буферов операцией V(f). Поток-читатель действует аналогичным образом, с той разницей, что он начинает работу с проверки наличия заполненных буферов, а после чтения данных наращивает количество свободных буферов.

Рис. 4.20. Использование семафоров для синхронизации потоков

В данном случае предпочтительнее использовать семафоры вместо блокирующих переменных. Действительно, критическим ресурсом здесь является буферный пул, который может быть представлен как набор идентичных ресурсов — отдельных буферов, а значит, с буферным пулом могут работать сразу несколько потоков, и именно столько, сколько буферов в нем содержится. Использование двоичной переменной не позволяет организовать доступ к критическому ресурсу более чем одному потоку. Семафор же решает задачу синхронизации более гибко, допуская к разделяемому пулу ресурсов заданное количество потоков. Так, в нашем примере с буферным пулом могут работать максимум N потоков, часть из которых может быть «писателями», а часть — «читателями».

Таким образом, семафоры позволяют эффективно решать задачу синхронизации Доступа к ресурсным пулам, таким, например, как набор идентичных в функциональном назначении внешних устройств (модемов, принтеров, портов), или набор областей памяти одинаковой величины, или информационных структур. Во всех этих и подобных им случаях с помощью семафоров можно организовать доступ к разделяемым ресурсам сразу нескольких потоков.

Семафор может использоваться и в качестве блокирующей переменной. В рассмотренном выше примере, для того чтобы исключить коллизии при работе с разделяемой областью памяти, будем считать, что запись в буфер и считывание из буфера являются критическими секциями. Взаимное исключение будем обеспечивать с помощью двоичного семафора b (рис. 4.21). Оба потока после проверки доступности буферов должны выполнить проверку доступности критической секции.

Рис. 4.21. Использование двоичного семафора

Тупики

Приведенный выше пример позволяет также проиллюстрировать еще одну проблему синхронизации — взаимные блокировки, называемые также дедлоками (deadlocks), клинчами (clinch), или тупиками. Покажем, что если переставить местами операции Р(е) и Р(b) в потоке-писателе, то при некотором стечении обстоятельств эти два потока могут взаимно блокировать друг друга, Итак, пусть поток-писатель начинает свою работу с проверки доступности критической секции — операции Р(b), и пусть он первым войдет в критическую секцию. Выполняя операцию Р(е), он может обнаружить отсутствие свободных буферов и перейти в состояние ожидания. Как уже было показано, из этого состояния его может вывести только поток-читатель, который возьмет очередную запись из буфера. Но поток-читатель не сможет этого сделать, так как для этого ему потребуется войти в критическую секцию, вход в которую заблокирован потоком-писателем. Таким образом, ни один из этих потоков не может завершить начатую работу и возникнет тупиковая ситуация, которая не может разрешиться без внешнего воздействия.

Рассмотрим еще один пример тупика. Пусть двум потокам, принадлежащим разным процессам и выполняющимся в режиме мультипрограммирования, для выполнения их работы нужно два ресурса, например принтер и последовательный порт. Такая ситуация может возникнуть, например, во время работы приложения, задачей которого является распечатка информации, поступающей по модемной связи.

На рис. 4.22, а показаны фрагменты соответствующих программ. Поток А запрашивает сначала принтер; а затем порт, а поток В запрашивает устройства в обратном порядке. Предположим, что после того, как ОС назначила принтер потоку А и установила связанную с этим ресурсом блокирующую переменную, поток А был прерван. Управление получил поток В, который сначала выполнил запрос на получение СОМ- порта, затем при выполнении следующей команды был заблокирован, так как принтер оказался уже занятым потоком А. Управление снова получил поток А, который в соответствии со своей программой сделал попытку занять порт и был заблокирован, поскольку порт уже выделен потоку В. В таком положении потоки А и В могут находиться сколь угодно долго.

В зависимости от Соотношения скоростей потоков они могут либо взаимно блокировать друг друга (рис. 4.22, б), либо образовывать очереди к разделяемым ресурсам (рис. 4.22, в), либо совершенно независимо использовать разделяемые ресурсы (рис. 4.22, г).

Рис. 4.22. Возникновение взаимных блокировок при выполнении программы

Дата добавления: 2015-08-09