Синхронизация в распределенных системах (стр. 1 из 2)

К вопросам связи процессов, реализуемой путем передачи сообщений или вызовов RPC, тесно примыкают и вопросы синхронизации процессов. Синхронизация необходима процессам для организации совместного использования ресурсов, таких как файлы или устройства, а также для обмена данными.

В однопроцессорных системах решение задач взаимного исключения, критических областей и других проблем синхронизации осуществлялось с использованием общих методов, таких как семафоры и мониторы. Однако эти методы не совсем подходят для распределенных систем, так как все они базируются на использовании разделяемой оперативной памяти. Например, два процесса, которые взаимодействуют, используя семафор, должны иметь доступ к нему. Если оба процесса выполняются на одной и той же машине, они могут иметь совместный доступ к семафору, хранящемуся, например, в ядре, делая системные вызовы. Однако, если процессы выполняются на разных машинах, то этот метод не применим, для распределенных систем нужны новые подходы.

Алгоритм синхронизации логических часов

В централизованной однопроцессорной системе, как правило, важно только относительное время и не важна точность часов. В распределенной системе, где каждый процессор имеет собственные часы со своей точностью хода, ситуация резко меняется: программы, использующие время (например, программы, подобные команде make в UNIX, которые используют время создания файлов, или программы, для которых важно время прибытия сообщений и т.п.) становятся зависимыми от того, часами какого компьютера они пользуются. В распределенных системах синхронизация физических часов (показывающих реальное время) является сложной проблемой, но с другой стороны очень часто в этом нет никакой необходимости: то есть процессам не нужно, чтобы во всех машинах было правильное время, для них важно, чтобы оно было везде одинаковое, более того, для некоторых процессов важен только правильный порядок событий. В этом случае мы имеем дело с логическими часами.

Введем для двух произвольных событий отношение "случилось до". Выражение a ® b читается "a случилось до b" и означает, что все процессы в системе считают, что сначала произошло событие a, а потом - событие b. Отношение "случилось до" обладает свойством транзитивности: если выражения a ® b и b ® c истинны, то справедливо и выражение a ® c. Для двух событий одного и того же процесса всегда можно установить отношение "случилось до", аналогично может быть установлено это отношение и для событий передачи сообщения одним процессом и приемом его другим, так как прием не может произойти раньше отправки. Однако, если два произвольных события случились в разных процессах на разных машинах, и эти процессы не имеют между собой никакой связи (даже косвенной через третьи процессы), то нельзя сказать с полной определенностью, какое из событий произошло раньше, а какое позже.

Ставится задача создания такого механизма ведения времени, который бы для каждого события а мог указать значение времени Т(а), с которым бы были согласны все процессы в системе. При этом должно выполняться условие: если а ® b , то Т(а) < Т(b). Кроме того, время может только увеличиваться и, следовательно, любые корректировки времени могут выполняться только путем добавления положительных значений, и никогда - путем вычитания.

Рассмотрим алгоритм решения этой задачи, который предложил Lamport. Для отметок времени в нем используются события. На рисунке 3.6 показаны три процесса, выполняющихся на разных машинах, каждая из которых имеет свои часы, идущие со своей скоростью. Как видно из рисунка, когда часы процесса 0 показали время 6, в процессе 1 часы показывали 8, а в процессе 2 - 10. Предполагается, что все эти часы идут с постоянной для себя скоростью.

В момент времени 6 процесс 0 посылает сообщение А процессу 1. Это сообщение приходит к процессу 1 в момент времени 16 по его часам. В логическом смысле это вполне возможно, так как 6<16. Аналогично, сообщение В, посланное процессом 1 процессу 2 пришло к последнему в момент времени 40, то есть его передача заняла 16 единиц времени, что также является правдоподобным.

Рис. 3.6. Синхронизация логических часов
а - три процесса, каждый со своими собственными часами;
б - алгоритм синхронизации логических часов

Ну а далее начинаются весьма странные вещи. Сообщение С от процесса 2 к процессу 1 было отправлено в момент времени 64, а поступило в место назначения в момент времени 54. Очевидно, что это невозможно. Такие ситуации необходимо предотвращать. Решение Lamport'а вытекает непосредственно из отношений "случилось до". Так как С было отправлено в момент 60, то оно должно дойти в момент 61 или позже. Следовательно, каждое сообщение должно нести с собой время своего отправления по часам машины-отправителя. Если в машине, получившей сообщение, часы показывают время, которое меньше времени отправления, то эти часы переводятся вперед, так, чтобы они показали время, большее времени отправления сообщения. На рисунке 3.6,б видно, что С поступило в момент 61, а сообщение D - в 70.

Этот алгоритм удовлетворяет сформулированным выше требованиям.

Алгоритмы взаимного исключения

Системы, состоящие из нескольких процессов, часто легче программировать, используя так называемые критические секции. Когда процессу нужно читать или модифицировать некоторые разделяемые структуры данных, он прежде всего входит в критическую секцию для того, чтобы обеспечить себе исключительное право использования этих данных, при этом он уверен, что никакой процесс не будет иметь доступа к этому ресурсу одновременно с ним. Это называется взаимным исключением. В однопроцессорных системах критические секции защищаются семафорами, мониторами и другими аналогичными конструкциями. Рассмотрим, какие алгоритмы могут быть использованы в распределенных системах.

Централизованный алгоритм

Наиболее очевидный и простой путь реализации взаимного исключения в распределенных системах - это применение тех же методов, которые используются в однопроцессорных системах. Один из процессов выбирается в качестве координатора (например, процесс, выполняющийся на машине, имеющей наибольшее значение сетевого адреса). Когда какой-либо процесс хочет войти в критическую секцию, он посылает сообщение с запросом к координатору, оповещая его о том, в какую критическую секцию он хочет войти, и ждет от координатора разрешение. Если в этот момент ни один из процессов не находится в критической секции, то координатор посылает ответ с разрешением. Если же некоторый процесс уже выполняет критическую секцию, связанную с данным ресурсом, то никакой ответ не посылается; запрашивавший процесс ставится в очередь, и после освобождения критической секции ему отправляется ответ-разрешение. Этот алгоритм гарантирует взаимное исключение, но вследствие своей централизованной природы обладает низкой отказоустойчивостью.

Распределенный алгоритм

Когда процесс хочет войти в критическую секцию, он формирует сообщение, содержащее имя нужной ему критической секции, номер процесса и текущее значение времени. Затем он посылает это сообщение всем другим процессам. Предполагается, что передача сообщения надежна, то есть получение каждого сообщения сопровождается подтверждением. Когда процесс получает сообщение такого рода, его действия зависят от того, в каком состоянии по отношению к указанной в сообщении критической секции он находится. Имеют место три ситуации:

1. Если получатель не находится и не собирается входить в критическую секцию в данный момент, то он отсылает назад процессу-отправителю сообщение с разрешением.
2. Если получатель уже находится в критической секции, то он не отправляет никакого ответа, а ставит запрос в очередь.
3. Если получатель хочет войти в критическую секцию, но еще не сделал этого, то он сравнивает временную отметку поступившего сообщения со значением времени, которое содержится в его собственном сообщении, разосланном всем другим процессам. Если время в поступившем к нему сообщении меньше, то есть его собственный запрос возник позже, то он посылает сообщение-разрешение, в обратном случае он не посылает ничего и ставит поступившее сообщение-запрос в очередь.

Процесс может войти в критическую секцию только в том случае, если он получил ответные сообщения-разрешения от всех остальных процессов. Когда процесс покидает критическую секцию, он посылает разрешение всем процессам из своей очереди и исключает их из очереди.

Алгоритм Token Ring

Совершенно другой подход к достижению взаимного исключения в распределенных системах иллюстрируется рисунком 3.7. Все процессы системы образуют логическое кольцо, т.е. каждый процесс знает номер своей позиции в кольце, а также номер ближайшего к нему следующего процесса. Когда кольцо инициализируется, процессу 0 передается так называемый токен. Токен циркулирует по кольцу. Он переходит от процесса n к процессу n+1 путем передачи сообщения по типу "точка-точка". Когда процесс получает токен от своего соседа, он анализирует, не требуется ли ему самому войти в критическую секцию. Если да, то процесс входит в критическую секцию. После того, как процесс выйдет из критической секции, он передает токен дальше по кольцу. Если же процесс, принявший токен от своего соседа, не заинтересован во вхождении в критическую секцию, то он сразу отправляет токен в кольцо. Следовательно, если ни один из процессов не желает входить в критическую секцию, то в этом случае токен просто циркулирует по кольцу с высокой скоростью.

Сравним эти три алгоритма взаимного исключения. Централизованный алгоритм является наиболее простым и наиболее эффективным. При его использовании требуется только три сообщения для того, чтобы процесс вошел и покинул критическую секцию: запрос и сообщение-разрешение для входа и сообщение об освобождении ресурса при выходе. При использовании распределенного алгоритма для одного использования критической секции требуется послать (n-1) сообщений-запросов (где n - число процессов) - по одному на каждый процесс и получить (n-1) сообщений-разрешений, то есть всего необходимо 2(n-1) сообщений. В алгоритме Token Ring число сообщений переменно: от 1 в случае, если каждый процесс входил в критическую секцию, до бесконечно большого числа, при циркуляции токена по кольцу, в котором ни один процесс не входил в критическую секцию.