2 Мониторы Хоара

2.1 История создания

Идея монитора была впервые сформулирована в 1974 г. одним из классиков компьютерных наук профессором Чарльзом Хоаром. Это был ответ на недостатки семафоров. Семафорные механизмы являются слишком примитивными, так как сам семафор не указывает непосредственно на синхронизирующее условие, с которым он связан, или на критический ресурс. Поэтому при построении сложных схем синхронизации алгоритмы решения задач получаются запутанными и ненаглядными.

Нужны были понятные и очевидные решения, которые позволяли бы создавать параллельные взаимодействующие программы. Таким решением являются т.н. мониторы, предложенные Хоаром.

2.2 Определения и основные характеристики

Монитор (в параллельном программировании) – это пассивный набор разделяемых переменных и повторно входимых процедур доступа к ним, которым процессы пользуются в режиме разделения, причем в каждый момент им может пользоваться только один процесс.

Монитор представляет собой программный модуль, состоящий из инициализирующей последовательности, одной или нескольких процедур и локальных данных.

Основные характеристики:

1. Локальные переменные монитора доступны только его процедурам.

2. Процесс входит в монитор путем вызова одной из его процедур.

3. В мониторе в определенный момент времени может находиться только один процесс; любой другой обратившийся будет приостановлен в ожидании доступности монитора.

2.3 Принцип работы монитора

Пусть некоторый ресурс распределяется между процессами планировщиком. Этот планировщик имеет переменные, с помощью которых он отслеживает, занят ресурс или свободен. Для получения ресурса процесс должен обратиться к планировщику, причем процедуру планировщика разделяют все процессы, и такое обращение может произойти в любой момент. Но планировщик не в состоянии обслужить более одного процесса одновременно – он и является монитором (рис. 2).

Рисунок 2

Таким образом, монитор – такой механизм организации параллелизма, который содержит данные и процедуры, необходимые для реализации динамического распределения общих ресурсов.

Процесс, желающий получить доступ к разделяемым переменным, обращается к монитору, который в свою очередь предоставляет доступ или отказывает в нем. Вход в монитор находится под жестким контролем. Здесь осуществляется взаимоисключение, т.е. в любой момент времени только один процесс может войти в монитор. Остальные обратившиеся процессы вынуждены ждать, причем режимом ожидания автоматически управляет сам монитор. При отказе в доступе монитор блокирует обратившийся процесс и определяет условие, по которому процесс ждет. При деблокировании сам монитор и проверяет это условие.

2.4 Условные переменные

Условная переменная(conditional variable) – символизирует ожидание потоком, выполняющим метод монитора, наступления некоторого события.

Существует три операции:

1. Wait – выполняется поток, который хочет подождать наступления события. Снимает блокировку монитора, после чего другой поток может войти в него; ожидает, пока какой-либо другой поток не подаст условный сигнал.

2. Signal – выполняется поток, сигнализирующём о наступлении события. Пробуждает максимум один ожидающий поток; если отсутствуют потоки, ожидающие события, информация о приходе сигнала теряется.

3. Broadcast – также выполняется потоком, сигнализирующем о наступлении события. Пробуждает все ожидающие события потоки.

Если процесс обращается к некоторой процедуре монитора и обнаруживается, что соответствующий ресурс уже занят, эта процедура монитора выдает команду WAIT с указанием условия ожидания. Процесс мог бы оставаться внутри монитора, но это противоречит принципам взаимоисключения, если в монитор бы затем вошел другой процесс. Поэтому процесс в режиме ожидания вне монитора ждет, пока требуемый ресурс освободится.

Доступ ко всем внутренним данным монитора возможен только изнутри монитора. При первом обращении монитор присваивает своим переменным начальные значения; при последующих обращениях используются сохраненные от предыдущего обращения значения. Для защиты каких-либо данных нужно просто поместить их в монитор.

Процесс, занимавший ресурс, со временем обратится к монитору, чтобы возвратить ресурс системе. Соответствующая процедура монитора может просто принять уведомление об освобождении ресурса и ждать очередного запроса на этот ресурс. Но может оказаться, что уже есть процессы, ожидающие освобождения этого ресурса. Тогда монитор выполняет команду извещения SIGNAL, чтобы один из ожидавших процессов мог получить ресурс и покинуть монитор. Если ресурс никому не требовался, то подобное оповещение не вызывает никаких последствий, а ресурс вносится в список свободных.

Чтобы гарантировать получение ресурса находившимся в ожидании процессом, ему назначается более высокий приоритет, чем новым процессам, пытающимся войти в монитор. В противном случае новый процесс мог бы перехватить ресурс в момент его освобождения, что при многократном повторении приведет к бесконечному ожиданию.

Для операционной системы реального времени можно организовать дисциплину обслуживания на основе абсолютных или динамически изменяемых приоритетов.