Решение проблемы producer-consumer с помощью семафоров

Одной из типовых задач, требующих организации взаимодействия процессов, является задача producer-consumer (производитель-потребитель). Пусть два процесса обмениваются информацией через буфер ограниченного размера. Производитель закладывает информацию в буфер, а потребитель извлекает ее оттуда. Грубо говоря, на этом уровне деятельность потребителя и производителя можно описать следующим образом.

Если буфер забит, то производитель должен ждать, пока в нем появится место, чтобы положить туда новую порцию информации. Если буфер пуст, то потребитель должен дожидаться нового сообщения. Как можно реализовать эти условия с помощью семафоров? Возьмем три семафора empty, full и mutex. Семафор full будем использовать для гарантии того, что потребитель будет ждать, пока в буфере появится информация. Семафор empty будем использовать для организации ожидания производителя при заполненном буфере, а семафор mutex - для организации взаимоисключения на критических участках, которыми являются действия put_item и get_item (операции положить информацию и взять информацию не могут пересекаться, так как тогда возникнет опасность искажения информации). Тогда решение задачи выглядит так:

Semaphore mutex = 1;
Semaphore empty = N, где N – емкость буфера;
Semaphore full = 0;

Producer:

while(1) {

produce_item;
P(empty);
P(mutex);
put_item;
V(mutex);
V(full);

}

Consumer:

while(1) {

P(full);
P(mutex);
put_item;
V(mutex);
V(empty);
consume_item;

}

Легко убедиться, что это действительно корректное решение поставленной задачи. Попутно заметим, что семафоры использовались здесь для достижения двух целей: организации взаимоисключения на критическом участке и синхронизации скорости работы процессов.

Мониторы

Хотя решение задачи producer-consumer с помощью семафоров выглядит достаточно элегантно, программирование с их использованием требует повышенной осторожности и внимания, чем, отчасти, напоминает программирование на языке ассемблера. Допустим, что в рассмотренном примере мы случайно поменяли местами операции P, сначала выполняя ее для семафора mutex, а уже затем для семафоров full и empty. Допустим теперь, что потребитель, войдя в свой критический участок (mutex сброшен), обнаруживает, что буфер пуст. Он блокируется и начинает ждать появления сообщений. Но производитель не может войти в критический участок, для передачи информации, так как тот заблокирован потребителем. Получаем тупиковую ситуацию.

В сложных программах произвести анализ правильности использования семафоров с карандашом в руках становится очень непростым занятием. В то же время обычные способы отладки программ зачастую не дают результата, поскольку возникновение ошибок зависит от interleaving’а атомарных операций, и ошибки могут быть трудно воспроизводимы. Для того чтобы облегчить труд программистов, в 1974 году Хором (Hoare) был предложен механизм еще более высокого уровня, чем семафоры, получивший название мониторов. Мы с вами рассмотрим конструкцию, несколько отличающуюся от оригинальной.

Мониторы представляют собой тип данных, который может быть с успехом внедрен в объектно-ориентированные языки программирования. Монитор обладает своими собственными переменными, определяющими его состояние. Значения этих переменных извне монитора могут быть изменены только с помощью вызова функций-методов, принадлежащих монитору. В свою очередь, эти функции-методы могут использовать в своей работе только данные, находящиеся внутри монитора и свои параметры. На абстрактном уровне можно описать структуру монитора следующим образом:

monitor monitor_name {

описание переменных;

{

блок инициализации внутрениих переменных;

}

}

Здесь функции m₁,..., m_n представляют собой функции-методы монитора, а блок инициализации внутренних переменных содержит операции, которые выполняются только один раз: при создании монитора или при самом первом вызове какой-либо функции-метода до ее исполнения.

Важной особенностью мониторов является то, что в любой момент времени только один процесс может быть активен, т. е. находиться в состоянии готовность или исполнение, внутри данного монитора. Поскольку мониторы представляют собой особые конструкции языка программирования, то компилятор может отличить вызов функции, принадлежащей монитору, от вызовов других функций и обработать его специальным образом, добавив к нему пролог и эпилог, реализующий взаимоисключение. Так как обязанность конструирования механизма взаимоисключений возложена на компилятор, а не на программиста, работа программиста при использовании мониторов существенно упрощается, а вероятность появления ошибок становится меньше.

Однако одних только взаимоисключений не достаточно для того, чтобы в полном объеме реализовать решение задач, возникающих при взаимодействии процессов. Нам нужны еще и средства организации очередности процессов, подобно семафорам full и empty в предыдущем примере. Для этого в мониторах было введено понятие условных переменных (condition variables), над которыми можно совершать две операции wait и signal, до некоторой степени похожие на операции P и V над семафорами.

Если функция монитора не может выполняться дальше, пока не наступит некоторое событие, она выполняет операцию wait над какой-либо условной переменной. При этом процесс, выполнивший операцию wait, блокируется, становится неактивным, и другой процесс получает возможность войти в монитор.

Когда ожидаемое событие происходит, другой процесс внутри функции-метода совершает операцию signal над той же самой условной переменной. Это приводит к пробуждению ранее заблокированного процесса, и он становится активным. Если несколько процессов дожидались операции signal для этой переменной, то активным становится только один из них. Что нам нужно предпринять для того, чтобы у нас не оказалось двух процессов, разбудившего и пробужденного, одновременно активных внутри монитора? Хор предложил, чтобы пробужденный процесс подавлял исполнение разбудившего процесса, пока он сам не покинет монитор. Несколько позже Хансен (Hansen) предложил другой механизм: разбудивший процесс покидает монитор немедленно после исполнения операции signal. Мы будем придерживаться подхода Хансена.

Давайте применим концепцию мониторов к решению задачи производитель-потребитель.

monitor ProducerConsumer {

condition full, empty;
int count;

void put() {

if(count == N) full.wait;
put_item;
count += 1;
if(count == 1) empty.signal;

}

void get() {

if (count == 0) empty.wait;
get_item();
count -= 1;
if(count == N-1) full.signal;

}

{

count = 0;

}

}

Producer:

while(1) {

produce_item;
ProducerConsumer.put();

}

Consumer:

while(1) {

ProducerConsumer.get();
consume_item;

}

Легко убедиться, что приведенный пример действительно решает поставленную задачу.

Реализация мониторов требует разработки специальных языков программирования и компиляторов для них. Мониторы встречаются в таких языках как параллельный Евклид, параллельный Паскаль, Java и т.д. Эмуляция мониторов с помощью системных вызовов для обычных широко используемых языков программирования не так проста, как эмуляция семафоров. Поэтому можно пользоваться еще одним механизмом со скрытыми взаимоисключеньями, механизмом, о котором мы уже упоминали, — передачей сообщений.

Сообщения

Для прямой и непрямой адресации достаточно двух примитивов, чтобы описать передачу сообщений по линии связи — send и receive. В случае прямой адресации мы будем обозначать их так:

send(P, message) —послать сообщение message процессу P;
receive(Q, message) — получить сообщение message от процесса Q.

В случае непрямой адресации мы будем обозначать их так:

send(A, message) — послать сообщение message в почтовый ящик A;
receive(A, message) — получить сообщение message из почтового ящика A.

Примитивы send и receive уже имеют скрытый от наших глаз механизм взаимоисключения. Более того, в большинстве систем они уже имеют и скрытый механизм блокировки при чтении из пустого буфера и при записи в полностью заполненный буфер. Реализация решения задачи producer-consumer для таких примитивов становится неприлично тривиальной. Надо отметить, что, несмотря на простоту использования, передача сообщений в пределах одного компьютера происходит существенно медленнее, чем работа с семафорами и мониторами.