Проблема тупиков и методы борьбы с ними

     В ряде систем реализованы средства отката и перезапуска или рестарта с  контрольной точки (сохранение состояния  системы в какой-то момент времени). Если проектировщики системы знают, что тупик вероятен, они могут  периодически организовывать для процессов  контрольные точки. Иногда это приходится делать разработчикам прикладных программ.

Когда тупик  обнаружен, видно, какие ресурсы  вовлечены в цикл кругового ожидания. Чтобы осуществить восстановление, процесс, который владеет таким  ресурсом, должен быть отброшен к моменту  времени, предшествующему его запросу  на этот ресурс. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Способы борьбы  и предотвращения  тупиков

2.1 Основные направления борьбы с тупиками

Проблема  тупиков инициировала много интересных исследований в области информатики. Очевидно, что условие циклического ожидания отличается от остальных. Первые три условия формируют правила, существующие в системе, тогда как  четвертое условие описывает  ситуацию, которая может сложиться  при определенной неблагоприятной  последовательности событий. Поэтому  методы предотвращения взаимоблокировок ориентированы главным образом  на нарушение первых трех условий  путем введения ряда ограничений  на поведение процессов и способы  распределения ресурсов. Методы обнаружения  и устранения менее консервативны  и сводятся к поиску и разрыву  цикла ожидания ресурсов.

     Итак, основные направления борьбы с тупиками:

1. Игнорирование проблемы в целом
2. Предотвращение тупиков
3. Обнаружение тупиков
4. Восстановление после тупиков
5. Игнорирование проблемы тупиков

 

   Простейший  подход – не замечать проблему тупиков. Для того чтобы принять такое  решение, необходимо оценить вероятность  возникновения взаимоблокировки и  сравнить ее с вероятностью ущерба от других отказов аппаратного и  программного обеспечения. Проектировщики обычно не желают жертвовать производительностью  системы или удобством пользователей  для внедрения сложных и дорогостоящих  средств борьбы с тупиками.

   Любая ОС, имеющая в ядре ряд массивов фиксированной размерности, потенциально страдает от тупиков, даже если они  не обнаружены. Таблица открытых файлов, таблица процессов, фактически каждая таблица являются ограниченными  ресурсами. Заполнение всех записей  таблицы процессов может привести к тому, что очередной запрос на создание процесса может быть отклонен. При неблагоприятном стечении обстоятельств несколько процессов могут выдать такой запрос одновременно и оказаться в тупике. Следует ли отказываться от вызова CreateProcess, чтобы решить эту проблему?

   Подход  большинства популярных ОС (Unix, Windows и др.) состоит в том, чтобы игнорировать данную проблему в предположении, что  маловероятный случайный тупик  предпочтительнее, чем нелепые правила, заставляющие пользователей ограничивать число процессов, открытых файлов и  т. п. Сталкиваясь с нежелательным  выбором между строгостью и удобством, трудно найти решение, которое устраивало бы всех. 
 
 

 

2.2 Способы предотвращения тупиков

     Цель  предотвращения тупиков – обеспечить условия, исключающие возможность  возникновения тупиковых ситуаций. Большинство методов связано  с предотвращением одного из условий  возникновения взаимоблокировки.

     Система, предоставляя ресурс в распоряжение процесса, должна принять решение, безопасно  это или нет. Возникает вопрос: есть ли такой алгоритм, который  помогает всегда избегать тупиков и  делать правильный выбор. Ответ –  да, мы можем избегать тупиков, но только если определенная информация известна заранее.

     Способы предотвращения тупиков путем тщательного  распределения ресурсов. Алгоритм банкира.

     Можно избежать взаимоблокировки, если распределять ресурсы, придерживаясь определенных правил. Среди такого рода алгоритмов наиболее известен алгоритм банкира, предложенный Дейкстрой, который базируется на так  называемых безопасных или надежных состояниях (safe state). Безопасное состояние  – это такое состояние, для  которого имеется по крайней мере одна последовательность событий, которая  не приведет к взаимоблокировке. Модель алгоритма основана на действиях  банкира, который, имея в наличии  капитал, выдает кредиты.

     Суть  алгоритма состоит  в следующем.

Предположим, что у системы в наличии n устройств, например лент.

ОС принимает  запрос от пользовательского процесса, если его максимальная потребность  не превышает n.

Пользователь  гарантирует, что если ОС в состоянии  удовлетворить его запрос, то все  устройства будут возвращены системе  в течение конечного времени.

Текущее состояние системы называется надежным, если ОС может обеспечить всем процессам  их выполнение в течение конечного  времени.

В соответствии с алгоритмом банкира выделение  устройств возможно, только если состояние  системы остается надежным.

     Рассмотрим  пример надежного состояния для  системы с 3 пользователями и 11 устройствами, где 9 устройств задействовано, а 2 имеется  в резерве. Пусть текущая ситуация такова:

Рис.3. Пример надежного состояния для системы

с 3 пользователями и 11 устройствами. 

     Данное  состояние надежно. Последующие  действия системы могут быть таковы. Вначале удовлетворить запросы  третьего пользователя, затем дождаться, когда он закончит работу и освободит  свои три устройства. Затем можно  обслужить первого и второго  пользователей. То есть система удовлетворяет  только те запросы, которые оставляют  ее в надежном состоянии, и отклоняет  остальные.

     Термин  ненадежное состояние не предполагает, что обязательно возникнут тупики. Он лишь говорит о том, что в  случае неблагоприятной последовательности событий система может зайти  в тупик.

     Данный  алгоритм обладает тем достоинством, что при его использовании  нет необходимости в перераспределении  ресурсов и откате процессов назад. Однако использование этого метода требует выполнения ряда условий.

1. Число пользователей и число ресурсов фиксировано.
2. Число работающих пользователей должно оставаться постоянным.
3. Алгоритм требует, чтобы клиенты гарантированно возвращали ресурсы.
4. Должны быть заранее указаны максимальные требования процессов к ресурсам. Чаще всего данная информация отсутствует.

 

     Наличие таких жестких и зачастую неприемлемых требований может склонить разработчиков  к выбору других решений проблемы взаимоблокировки.

 

2.3 Предотвращение тупиков за счет нарушения условий возникновения тупиков

     В отсутствие информации о будущих  запросах единственный способ избежать взаимоблокировки – добиться невыполнения хотя бы одного из условий раздела  «Условия возникновения тупиков».

     В общем случае избежать взаимоисключений невозможно. Доступ к некоторым ресурсам должен быть исключительным. Тем не менее некоторые устройства удается  обобществить. В качестве примера  рассмотрим принтер. Известно, что пытаться осуществлять вывод на принтер могут  несколько процессов. Во избежание  хаоса организуют промежуточное  формирование всех выходных данных процесса на диске, то есть разделяемом устройстве. Лишь один системный процесс, называемый сервисом или демоном принтера, отвечающий за вывод документов на печать по мере освобождения принтера, реально с  ним взаимодействует. Эта схема  называется спулингом (spooling). Таким  образом, принтер становится разделяемым  устройством, и тупик для него устранен.

     К сожалению, не для всех устройств  и не для всех данных можно организовать спулинг. Неприятным побочным следствием такой модели может быть потенциальная  тупиковая ситуация из-за конкуренции  за дисковое пространство для буфера спулинга. Тем не менее в той  или иной форме эта идея применяется  часто.

     Нарушение условия ожидания дополнительных ресурсов.

     Условия ожидания ресурсов можно избежать, потребовав выполнения стратегии двухфазного  захвата.

     В первой фазе процесс должен запрашивать  все необходимые ему ресурсы  сразу. До тех пор пока они не предоставлены, процесс не может продолжать выполнение.

     Если  в первой фазе некоторые ресурсы, которые были нужны данному процессору, уже заняты другими процессами, он освобождает все ресурсы, которые  были ему выделены, и пытается повторить  первую фазу.

     В известном смысле этот подход напоминает требование захвата всех ресурсов заранее. Естественно, что только специально организованные программы могут  быть приостановлены в течение первой фазы и рестартованы впоследствии.

     Таким образом, один из способов – заставить  все процессы затребовать нужные им ресурсы перед выполнением («все или ничего»). Если система в состоянии  выделить процессу все необходимое, он может работать до завершения. Если хотя бы один из ресурсов занят, процесс  будет ждать.

     Данное  решение применяется в пакетных мэйнфреймах (mainframe), которые требуют  от пользователей перечислить все  необходимые его программе ресурсы. Другим примером может служить механизм двухфазной локализации записей  в СУБД. Однако в целом подобный подход не слишком привлекателен  и приводит к неэффективному использованию  компьютера. Как уже отмечалось, перечень будущих запросов к ресурсам редко удается спрогнозировать. Если такая информация есть, то можно  воспользоваться алгоритмом банкира. Заметим также, что описываемый  подход противоречит парадигме модульности  в программировании, поскольку приложение должно знать о предполагаемых запросах к ресурсам во всех модулях.

     Нарушение принципа отсутствия перераспределения.

     Если  бы можно было отбирать ресурсы у  удерживающих их процессов до завершения этих процессов, то удалось бы добиться невыполнения третьего условия возникновения  тупиков. Перечислим минусы данного  подхода.

     Во-первых, отбирать у процессов можно только те ресурсы, состояние которых легко  сохранить, а позже восстановить, например состояние процессора. Во-вторых, если процесс в течение некоторого времени использует определенные ресурсы, а затем освобождает эти ресурсы, он может потерять результаты работы, проделанной до настоящего момента. Наконец, следствием данной схемы может  быть дискриминация отдельных процессов, у которых постоянно отбирают ресурсы.

     Весь  вопрос в цене подобного решения, которая может быть слишком высокой, если необходимость отбирать ресурсы  возникает часто.

     Hарушение  условия кругового  ожидания.

     Трудно  предложить разумную стратегию, чтобы  избежать последнего условия из раздела  «Условия возникновения тупиков» –  циклического ожидания.

     Один  из способов – упорядочить ресурсы. Например, можно присвоить всем ресурсам уникальные номера и потребовать, чтобы  процессы запрашивали ресурсы в  порядке их возрастания. Тогда круговое ожидание возникнуть не может. После  последнего запроса и освобождения всех ресурсов можно разрешить процессу опять осуществить первый запрос. Очевидно, что практически невозможно найти порядок, который удовлетворит всех.

     Один  из немногих примеров упорядочивания ресурсов – создание иерархии спин-блокировок в Windows 2000. Спин-блокировка – простейший способ синхронизации (вопросы синхронизации  процессов рассмотрены в соответствующей  лекции). Спин-блокировка может быть захвачена и освобождена процессом. Классическая тупиковая ситуация возникает, когда процесс P1 захватывает спин-блокировку S1 и претендует на спин-блокировку S2, а процесс P2, захватывает спин-блокировку S2 и хочет дополнительно захватить  спин-блокировку S1. Чтобы этого избежать, все спин-блокировки помещаются в  упорядоченный список. Захват может  осуществляться только в порядке, указанном  в списке.

     Другой  способ атаки условия кругового  ожидания – действовать в соответствии с правилом, согласно которому каждый процесс может иметь только один ресурс в каждый момент времени. Если нужен второй ресурс – освободи первый. Очевидно, что для многих процессов это неприемлемо.

     Таким образом, технология предотвращения циклического ожидания, как правило, неэффективна и может без необходимости  закрывать доступ к ресурсам.