Проблемы координации

Если программа содержит подпрограммы, которые могут выполняться параллельно, и эти подпрограммы совместно используют некоторые файлы, устройства или области памяти, то неизбежно возникают проблемы координации. Предположим, у нас есть программа поддержки электронного банка, которая позволяет снимать деньги со счета и класть их на депозит. Допустим, что эта программа разделена на три задачи (обозначим их А, В и С), которые могут выполняться параллельно.

Задача А получает запросы от задачи В на выполнение операций снятия денег со счета. Задача А также получает запросы от задачи С положить деньги на депозит. За-Дача А принимает запросы и обрабатывает их по принципу «первым пришел — первым обслужен». Предположим, на счете имеется 1000 долл., при этом задача С требует положить на депозит 100 долл., а задача В желает снять со счета 1100 долл. Что произойдет, если обе задачи В и С попытаются обновить один и тот же счет одновременно?

Каким будет остаток на счете? Очевидно, остаток на счете в каждый момент времени не может иметь более одного значения. Задача А применительно к счету должна выполнять одновременно только одну транзакцию, т.е. мы сталкиваемся с проблемой координации задач. Если запрос задачи В будет выполнен на какую-то долю секунды быстрее, чем запрос задачи С, то счет приобретет отрицательный баланс. Но если задача С получит первой право на обновление счета, то этого не произойдет. Таким образом, остаток на счете зависит от того, какой задаче (В или С) первой удастся сделать запрос к задаче А. Более того, мы можем выполнять задачи В и С несколько раз с одними и теми же значениями, и при этом иногда запрос задачи В будет произведен на какую-то долю секунды быстрее, чем запрос задачи С, а иногда — наоборот. Очевидно, что необходимо организовать надлежащую координацию действий.

Для координации задач, выполняемых параллельно, требуется обеспечить связь между ними и синхронизацию их работы. При некорректной связи или синхронизации обычно возникает четыре типа проблем.

Проблема № 1: «гонка» данных

Если несколько задач одновременно попытаются изменить некоторую общую область данных, а конечное значение данных при этом будет зависеть от того, какая задача обратится к этой области первой, возникнет ситуация, которую называют состоянием «гонок» (race condition). В случае, когда несколько задач попытаются обновить один и тот же ресурс данных, такое состояние «гонок» называют «гонкой»данных (data race). Какая задача в нашей программе поддержки электронного банка первой получит доступ к остатку на счете, определяется результатом работы планировщика задач операционной системы, состоянием процессоров, временем ожидания и случайными причинами. В такой ситуации создается состояние «гонок». И какое значение в этом случае должен сообщать банк в качестве реального остатка на счете?

Итак, несмотря на то, что мы хотели бы, чтобы наша программа позволяла одновременно обрабатывать множество операций по снятию денег со счета и вложению их на депозит, нам нужно координировать эти задачи в случае, если окажется, что операции снятия и вложения денег должны быть применены к одному и тому же счету. Всякий раз когда задачи одновременно используют модифицируемый ресурс, к ресурсному доступу этих задач должны быть применены определенные правила и стратегии. Например, в нашей программе поддержки банковских операций со счетами мы могли бы всегда выполнять любые операции по вложению денег до выполнения каких бы то ни было операций по их снятию. Мы могли бы установить правило, в соответствии с которым доступ к счету одновременно могла получать только одна транзакция. И если окажется, что к одному и тому же счету одновременно обращается сразу несколько транзакций, их необходимо задержать, организовать их выполнение в соответствии с некоторым правилом очередности, а затем предоставлять им доступ к счету по одной (в порядке очереди). Такие правила организации позволяют добиться надлежащей синхронизации действий.

Проблема № 2: бесконечная отсрочка

Такое планирование, при котором одна или несколько задач должны ожидать до тех пор, пока не произойдет некоторое событие или не создадутся определенные условия, м ожет оказаться довольно непростым для реализации. Во-первых, ожидаемое событие или условие должно отличаться регулярностью. Во-вторых, между задачами следует наладить связи. Если одна или несколько задач ожидают сеанса связи до своего выполнения, то в случае, если ожидаемый сеанс связи не состоится, состоится слишком поздно или не полностью, эти задачи могут так никогда и не выполниться. И точно так же, если ожидаемое событие или условие, которое (по нашему мнению) должно произойти (или наступить), но в действительности не происходит (или не наступает), то приостановленные нами задачи будут вечно находиться в состоянии ожидания. Если мы приостановим одну или несколько задач до наступления события (или условия), которое никогда не произойдет, возникнет ситуация, называемая бесконечной отсрочкой (indefinite postponement). Возвращаясь к нашему примеру электронного банка, предположим, что, если мы установим правила, предписывающие всем задачам снятия денег со счета находиться в состоянии ожидания до тех пор, пока не будут выполнены все задачи вложения денег на счет, то задачи снятия денег рискуют стать бесконечно отсроченными.

Мы исходили из предположения о гарантированном существовании задач вложения денег на счет. Но если ни один из запросов на пополнение счетов не поступит, то что тогда заставит выполниться задачи снятия денег? И, наоборот, что, если будут без конца поступать запросы на пополнение одного и того же счета? Ведь тогда не сможет «пробиться» к счету ни один из запросов на снятие денег. Такая ситуация также может вызвать бесконечную отсрочку задач снятия денег.

Бесконечная отсрочка возникает при отсутствии задач вложения денег на счет или их постоянном поступлении. Необходимо также предусмотреть ситуацию, когда запросы на вложение денег поступают корректно, но нам не удается надлежащим образом организовать связь между событиями и задачами. По мере того как мы будем пытаться скоординировать доступ параллельных задач к некоторому общему ресурсу данных, следует предусмотреть все ситуации, в которых возможно создание бесконечной отсрочки. Методы, позволяющие избежать бесконечных отсрочек, рассматриваются в главе 5.

Проблема №3: взаимоблокировка

Взаимоблокировка — это еще одна «ловушка», связанная с ожиданием. Для демонстрации взаимоблокировки предположим, что в нашей программе поддержки электронного банка три задачи работают не с одним, а с двумя счетами. Вспомним, что задача А получает запросы от задачи В на снятие денег со счета, а от задачи С — запросы на вложение денег на депозит. Задачи А, В и С могут выполняться параллельно. Однако задачи В и С могут обновлять одновременно только один счет. Задача А предоставляет доступ задач В и С к нужному счету по принципу «первым пришел — первым обслужен». Предположим также, что задача В имеет монопольный доступ к счету 1, а задача С — монопольный доступ к счету 2. При этом задаче В для выполнения соответствующей обработки также нужен доступ к счету 2 и задаче С — доступ к счету 1. Задача В удерживает счет 1, ожидая, пока задача С не освободит счет 2. Аналогично задача С удерживает счет 2, ожидая, пока задача В не освободит счет 1. Тем самым задачи В и С рискуют попасть в тупиковую ситуацию, которую в данном случае можно назвать взаимоблокировкой (deadlock). Ситуация взаимоблокировки между задачами В и С схематично показана на рис. 2.3.

Форма взаимоблокировки в данном случае объясняется наличием параллельно выполняемых задач, имеющих доступ к совместно используемым данным, которые им разрешено обновлять. Здесь возможна ситуация, когда каждая из задач будет ожидать до тех пор, пока другая не освободит доступ к общим данным (общими данными здесь являются счет 1 и счет 2). Обе задачи имеют доступ к обоим счетам. Может случиться так,

вместо получения доступа одной задачи к двум счетам, каждая задача получит доступ одному из счетов. Поскольку задача В не может освободить счет 1, пока не получит К туп к счету 2, а задача С не может освободить счет 2, пока не получит доступ к счету 1, программа обслуживания счетов электронного банка будет оставаться заблокированной. Обратите внимание на то, что задачи В и С могут ввести в состояние бесконечной отсрочки и другие задачи (если таковые имеются в системе). Если другие задачи ожидают получения доступа к счетам 1 или 2, а задачи В и С «скованы» взаимоблокировкой, то те другие задачи будут ожидать условия, которое никогда не выполнится. При координации параллельно выполняемых задач необходимо помнить, что взаимоблокировка и бесконечная отсрочка — это самые опасные преграды, которые нужно предусмотреть и избежать.

Проблема №4: трудности организации связи

Многие распространенные параллельные среды (например, кластеры) зачастую состоят из гетерогенных компьютерных сетей. Гетерогенные компьютерные сети— это системы, которые состоят из компьютеров различных типов, работающих в общем случае под управлением различных операционных систем и использующих различные сетевые протоколы. Их процессоры могут иметь различную архитектуру, обрабатывать слова различной длины и использовать различные машинные языки. Помимо разных операционных систем, компьютеры могут различаться используемыми стратегиями планирования и системами приоритетов. Хуже того, все системы могут различаться параметрами передачи данных. Это делает обработку ошибок и исключительных ситуаций (исключений) особенно трудной. Неоднородность системы может усугубляться и другими различиями. Например, может возникнуть необходимость организации совместного использования данных программами, написанными на различных языках или разработанных с использованием различных моделей ПО. Ведь общее системное решение может быть реализовано по частям, написанным на языках Fortran, С++ и J ava. Это вносит проблемы межъязыковой связи. И даже если распределенная или параллельная среда не является гетерогенной, остается проблема взаимодействия между несколькими процессами или потоками. Поскольку каждый процесс имеет собственное адресное пространство, то для совместного использования переменных, параметров и значений, возвращаемых функциями, необходимо применять технологию межпроцессного взаимодействия (interprocess communication — IPC), или МПВ-технологию. И хотя реализация МПВ-методов необязательно является самой трудной частью разработки системы ПО, тем не менее они образуют дополнительный уровень проектирования, тестирования и отладки в создании системы.

POSIX-спецификация поддерживает пять базовых механизмов, используемых для реализации взаимодействия между процессами:

• файлы со средствами блокировки и разблокировки;

• каналы (неименованные, именованные и FIFO-очереди);

• общая память и сообщения;

• сокеты;

• семафоры.

Каждый из этих механизмов имеет достоинства, недостатки, ловушки и тупики, которые проектировщики и разработчики ПО должны обязательно учитывать, если хотят создать надежную и эффективную связь между несколькими процессами. Организовать взаимодействие между несколькими потоками (которые иногда называются облегченными процессами) обычно проще, чем между процессами, так как потоки используют общее адресное пространство. Это означает, что каждый поток в программе может легко передавать параметры, принимать значения, возвращаемые функциями, и получать доступ к глобальным данным. Но если взаимодействие процессов или потоков не спроектировано должным образом, возникают такие проблемы, как взаимоблокировки, бесконечные отсрочки и другие ситуации «гонки» данных. Необходимо отметить, что перечисленные выше проблемы характерны как для распределенного, так и для параллельного программирования.

Несмотря на то что системы с исключительно параллельной обработкой отличаются от систем с исключительно распределенной обработкой, мы намеренно не проводили границу между проблемами координации в распределенных и параллельных системах. Частично мы можем объяснить это некоторым перекрытием существующих проблем, и частично тем, что некоторые решения проблем в одной области часто применимы к проблемам в другой. Но главная причина нашего «обобщенного» подхода состоит в том, что в последнее время гибридные (параллельно-распределенные) системы становятся нормой. Современное положение в параллельном способе обработке данных определяют кластеры и сетки. Причудливые кластерные конфигурации составляют из готовых продуктов. Такие архитектуры включают множество компьютеров со многими процессорами, а однопроцессорные системы уже уходят в прошлое. В будущем предполагается, что чисто распределенные системы будут встраиваться в виде компьютеров с несколькими процессорами. Это означает, что на практике проектировщик или разработчик ПО будет теперь все чаще сталкиваться с проблемами распределения и параллелизма. Вот потому-то мы и рассматриваем все эти проблемы в одном пространстве. В табл. 2.1 представлены комбинации параллельного и распределенного программирования с различными конфигурациями аппаратного обеспечения.

В табл. 2.1 обратите внимание на то, что существуют конфигурации, в которых параллелизм достигается за счет использования нескольких компьютеров. В этом случае подходит применение библиотеки PVM. И точно так же существуют конфигурации, в которых распределение может быть достигнуто лишь на одном компьютере за счет разбиения логики ПО на несколько процессов или потоков. Именно факт использования множества процессов или потоков говорит о том, что работа программы носит «распределенный» характер. Комбинации параллельного и распределенного программирования, представленные в табл. 2.1, подразумевают, что проблемы конфигурации, обычно присущие распределенному программированию, могут возникнуть в ситуациях, обусловленных параллельным программированием, и, наоборот, проблемы конфигурации, обычно связанные с параллельным программированием, могут возникнуть в ситуациях, обусловленных распределенным программированием.

Таблица2.1. Комбинации параллельного и распределенного программирования с различными конфигурациями аппаратного обеспечения

Независимо от используемой конфигурации аппаратных средств, существует два базовых механизма, обеспечивающих взаимодействие нескольких задач: общая память и средства передачи сообщений. Для эффективного использования механизма общей памяти программисту необходимо предусмотреть решение проблем «гонки» Данных, взаимоблокировки и бесконечных отсрочек. Схема передачи сообщений Должна предполагать возникновение таких «накладок», как прерывистые передачи, бессмысленные (искаженные), утерянные, ошибочные, слишком длинные, просроченные (с нарушением сроков), преждевременные сообщения и т.п. Эффективное использование обоих механизмов подробно рассматривается ниже в этой книге.