работу (например, производитель выясняет, что буфер заполнен), она выполняет операцию wait на какой-либо переменной состояния, скажем, full. Это приводит к блокировке вызывающего процесса и позволяет другому процессу войти в монитор.

Другой процесс, в нашем примере потребитель, может активизировать ожидающего напарника, например, выполнив операцию signal на той переменной состояния, на которой он был заблокирован. Чтобы в мониторе не оказалось двух активных процессов одновременно, нам необходимо правило, определяющее последствия операции signal. Хоар предложил запуск разбуженного процесса и остановку второго. Бринч Хансен придумал другое решение: процесс, выполнивший signal, должен немедленно покинуть монитор. Иными словами, операция signal выполняется только в самом конце процедуры монитора. Мы будем использовать это решение, поскольку оно в принципе проще и к тому же легче в реализации. Если операция signal выполнена на переменной, с которой связаны несколько заблокированных процессов, планировщик выбирает и оживляет только один из них.

Кроме этого, существует третье решение, не основывающееся на предположениях Хоара и Хансена: позволить процессу, выполнившему signal, продолжать работу и запустить ждущий процесс только после того, как первый процесс покинет монитор.

Переменные состояния не являются счетчиками. В отличие от семафоров они не аккумулируют сигналы, чтобы впоследствии воспользоваться ими. Это означает, что в случае выполнения операции signal на переменной состояния, с которой не связано ни одного блокированного процесса, сигнал будет утерян. Проще говоря, операция wait должна выполняться прежде, чем signal. Последнее правило существенно упрощает реализацию. На практике оно не создает проблем, поскольку отслеживать состояния процессов при необходимости не очень трудно. Процесс, который собирается выполнить signal, может оценить необходимость этого действия по значениям переменных.

В листинге 2.6 представлена схема решения проблемы производителя и потребителя с применением мониторов, написанная на пиджин Pascal. В данной ситуации этот суррогат языка удобен своей простотой, а также тем, что он позволяет в точности следовать моделям Хоара и Хансена. В каждый момент времени активна только одна процедура монитора. Буфер состоит из N сегментов.

Листинг 2.6. Схема решения проблемы производителя и потребителя с применением мониторов

monitor ProducerConsumer

condition full, empty: integer count:

procedure insert(item: integer): begin

if count = N then wait(full): insertJtemCitem): count := count+1; if count = 1 then signal(empty) end:

function remove: integer; begin

if count - 0 then wait(empty); remove - removejtem: count := count-1: if count = N-l then signaKfull) end;

count := 0; end monitor;

procedure producer; begin

while true do begin

item = producejtem;

ProducerConsumer.i nsert(i tem)

end:

procedure consumer; begin

while true do begin

item = ProducerConsumer.remove; consume item(item)

end:

Можно подумать, что операции wait и signal похожи на sleep и wakeup, которые приводили к неустранимым состояниям конкуренции. Они действительно похожи, но с одним существенным отличием: неудачи применения операций sleep и wakeup были связаны с тем, что один процесс пытался уйти в состояние ожидания, в то время как другой процесс предпринимал попытки активизировать его. С мониторами такого произойти не может. Автоматическое взаимное исключение, реализуемое процедурами монитора, гарантирует: если производитель, находящийся в мониторе, обнаружит полный буфер и решит выполнить операцию wait, можно не опасаться, что планировщик передаст управление потребителю раньше, чем операция wait будет завершена. Потребитель даже не сумеет попасть в монитор, пока операция wait не будет выполнена и производитель не прекратит работу.

Благодаря автоматизации взаимного исключения применение мониторов сделало параллельное программирование значительно менее подверженным ошибкам, в отличие от применения семафоров. Но и у мониторов тоже есть свои недостатки. Недаром два примера мониторов, которые мы рассмотрели, были написаны на пиджин Pascal, а не на С, как все остальные примеры этой книги. Как мы уже говорили, мониторы являются структурным компонентом языка программирования, и компилятор должен их распознавать и организовывать взаимное исключение. В Pascal, С и многих других языках нет мониторов, поэтому странно было бы ожидать от их компиляторов выполнения правил взаимного исключения. И в самом деле, как отличить компилятор процедуры монитора от остальных?

Другая проблема, связанная с мониторами и семафорами, состоит в том, что они были разработаны для решения задачи взаимного исключения в системе с одним или несколькими процессорами, имеющими доступ к общей памяти. Помещение семафоров в разделенную память с защитой в виде команд TSL может исключить состояния состязания. Эти примитивы будут неприменимы в распределенной системе, состоящей из нескольких процессоров с собственной памятью у каждого, связанных локальной сетью. Вывод из всего вышесказанного следующий: семафоры являются примитивами слишком низкого уровня, а мониторы применимы только в некоторых языках программирования. Примитивы не подходят и для реализации обмена информацией между компьютерами - нужно что-то другое.

2.2.7. Передача сообщений

в роли чего-то другого выступает передача сообщений. Межпроцессное взаимодействие такого рода строится на двух примитивах: send и receive, которые скорее являются системными вызовами, нежели структурными компонентами языка (что отличает их от мониторов и делает похожим на семафоры). Поэтому их легко можно инкапсулировать в библиотечные процедуры, например:

send(destination. &message): receive(source. &message):

Первый запрос посылает сообщение заданному адресату, а второй получает сообщение от указанного источника (или от любого источника, если это не имеет значения). Если сообщения нет, второй запрос блокируется до поступления сообщения либо немедленно возвращает код ошибки.

Разработка систем передачи сообщений

с системами передачи сообщений связано большое количество сложных проблем и конструктивных вопросов, которых не возникает в случае семафоров и мониторов. Особенно много сложностей появляется в случае взаимодействия процессов, проистекающих на различных компьютерах, соединенных сетью. Так, сообщение может затеряться в сети. Чтобы избежать потери сообщений, отправитель и получатель договариваются, что при получении сообщения получатель посылает обратно подтверждение приема. Если отправитель не получает подтверждение через некоторое время, он отсылает сообщение еще раз.

Теперь представим, что сообщение получено, но подтверждение до отправителя не дошло. Отправитель направит сообщение еще раз, и до получателя оно дойдет дважды. Крайне важно, чтобы получатель мог отличить копию предыдущего сообщения от нового. Обычно проблема решается с помощью занесения порядкового номера сообщения в тело самого сообщения. Если к получателю приходит письмо с номером, совпадающим с номером предыдущего письма, письмо классифицируется как копия и игнорируется. Решение проблемы успешного обмена информации в условиях ненадежной передачи сообщений составляет основу изучения компьютерных сетей.