الجمود هو شرط يحدث في الحوسبة المتوازية عندما يقوم اثنان أو أكثر من مؤشرات ترابط التنفيذ بحظر بعضهما البعض ، في انتظار الموارد أو العمليات التي تعتمد على بعضها البعض.
يمكن أن يحدث طريق مسدود في البرنامج عندما يتم حظر اثنين أو أكثر من مؤشرات ترابط التنفيذ على موارد مختلفة وينتظرون إصدار أحدهما لمواصلة عمله. نتيجة لذلك ، لا يمكن لأي من مؤشرات الترابط متابعة التنفيذ ، لأن كل واحد منهم ينتظر إصدار المورد الذي يحتفظ به الآخر. يؤدي هذا إلى توقف البرنامج عن العمل و "تجميد" مؤشرات ترابط التنفيذ.
لمنع الجمود ، من الضروري تطبيق أساليب وتقنيات مختلفة. تتمثل إحدى طرق التعامل مع المآزق في استخدام تسلسل هرمي صارم عند تخصيص الموارد. وبالتالي ، يمكن لكل مؤشر ترابط معرفة ترتيب الموارد المطلوبة مسبقا وتجنب الموقف الذي يحتوي فيه بالفعل على مورد واحد ، ولكنه يطلب موردا آخر تم تخصيصه مسبقا لمؤشر ترابط آخر.
هناك طريقة أخرى لمنع المآزق وهي استخدام الخوارزميات لاكتشاف المآزق والقضاء عليها. تسمح لك هذه الخوارزميات بتحديد ما إذا كان البرنامج في حالة توقف تام ، وإذا كان الأمر كذلك ، فاتخذ الإجراءات المناسبة لحل الجمود ومتابعة البرنامج.
- الجمود: أسباب وطرق الحل
- أسباب الجمود في البرمجة
- مناهج مختلفة للتعامل مع الجمود
- سؤال وجواب
- ما هو الجمود?
- ماذا يمكن أن تكون أسباب الجمود?
- كيف يمكنني تحديد ما إذا كان الجمود يحدث?
- ما هي طرق التعامل مع الجمود موجودة?
- كيف يمكنني تجنب الجمود?
الجمود: أسباب وطرق الحل
الجمود أو تأمين المتبادل هو الوضع في البرمجة المتوازية حيث اثنين أو أكثر من المواضيع ينتظرون بعضها البعض للافراج عن الموارد اللازمة لمواصلة التنفيذ. نتيجة لذلك ، لا يمكن لأي من مؤشرات الترابط مواصلة تنفيذها ، و "يتجمد"البرنامج.
هناك عدة أسباب للجمود:
- تأمين الموارد المتبادلة-يلتقط كل مؤشر ترابط موردا معينا ويحاول الوصول إلى مورد آخر تم التقاطه بالفعل بواسطة مؤشر ترابط آخر.
- القبض على الموارد المختلين-موضوع يمكن التقاط موارد متعددة في أي أمر. إذا تم التقاط اثنين من مؤشرات الترابط الموارد بترتيب مختلف ، فقد يحدث حظر متبادل.
- لا يوجد إصدار مورد-إذا لم يصدر مؤشر ترابط موردا بعد استخدامه ، فلن تتمكن مؤشرات الترابط الأخرى من الوصول إلى هذا المورد.
- التقاط الموارد الجشع - يمكن لمؤشر الترابط التقاط جميع الموارد المتاحة ، مما قد يتسبب في نفاد موارد مؤشرات الترابط الأخرى لمواصلة التنفيذ.
هناك أيضا عدة طرق لحل الجمود:
- تجنب الجمود هو استراتيجية يمنع فيها النظام حدوث طريق مسدود من خلال توفير التحليل والتخطيط وإدارة الموارد. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي هذه الاستراتيجية إلى ضعف أداء النظام وصعوبة إدارة الموارد.
- يعد اكتشاف الجمود واستعادته طريقة يتحقق فيها النظام بشكل دوري مما إذا كان هناك طريق مسدود ، وإذا تم اكتشافه ، فإنه ينفذ الموارد لفتحه. ومع ذلك ، قد يكون اكتشاف الجمود مكلفا من حيث الموارد والوقت.
- استخدام الاستمرارية هو طريقة يضمن فيها النظام أن مؤشرات الترابط لا يمكنها التقاط موردين أو أكثر في وقت واحد من أجل منع الجمود. ومع ذلك ، قد تكون هذه الاستراتيجية محدودة وتتداخل مع الاستخدام الأمثل للموارد.
يعتمد اختيار طريقة حل الجمود على الموقف المحدد ومتطلبات النظام. سيساعد التصميم المناسب والاختبار الشامل للتطبيقات على تجنب الجمود وضمان التشغيل المستقر للبرنامج.
أسباب الجمود في البرمجة
يحدث الجمود (أو" الحظر المتبادل") عندما ينتظر اثنان أو أكثر من مؤشرات الترابط أو العمليات الموارد المحظورة بواسطة مؤشرات الترابط أو العمليات الأخرى ، بينما يقومون هم أنفسهم بحظر الوصول إلى هذه الموارد لمؤشرات الترابط أو العمليات الأخرى. يؤدي هذا الموقف إلى حقيقة أنه لا يمكن لأي من الخيوط أو العمليات مواصلة عملها وينتظرون إلى أجل غير مسمى.
الأسباب الرئيسية لحدوث الجمود في البرمجة هي:
- الاستبعاد المتبادل: يمكن طلب كل مورد من خلال عملية أو مؤشر ترابط واحد فقط في كل مرة. إذا قامت عملية أو مؤشر ترابط آخر بحظر هذا المورد بالفعل ، فسيظل مؤشر ترابط الانتظار أو العملية محظورا ولن يتمكن من مواصلة عمله.
- عقد وانتظار الموارد (الانتظار والانتظار): يمكن أن تحتوي العملية أو مؤشر الترابط على مورد تم التقاطه بالفعل وانتظر تحرير الموارد الأخرى المحظورة بواسطة عملية أو مؤشر ترابط آخر. يمكن أن يؤدي هذا إلى موقف تنتظر فيه العمليات أو مؤشرات الترابط بعضها البعض لتحرير الموارد اللازمة.
- عدم سحب الموارد (بدون استباق): لا يمكن سحب الموارد المحظورة بالفعل بواسطة عملية أو مؤشر ترابط منها بواسطة عملية أو مؤشر ترابط آخر. لا يمكن نقل الموارد إلا بمبادرة من المالك الحالي.
- الاعتماد الدوري (الانتظار الدائري): هناك حلقة تبعية بين عمليتين أو أكثر أو مؤشرات ترابط ، حيث ينتظر كل منهما موردا تم حظره بواسطة العملية أو مؤشر الترابط التالي في الحلقة. هذا يؤدي إلى موقف لا يمكن فيه لأي من العمليات أو الخيوط مواصلة عملها.
لتجنب الجمود في البرمجة ، من الضروري تطبيق الأساليب والخوارزميات المناسبة لإدارة الموارد ، مثل الرسم البياني لتخصيص الموارد الهرمي ، ومنع الجمود ، واكتشاف الجمود واستعادته.
مناهج مختلفة للتعامل مع الجمود
1. نهج استباقي
تتمثل إحدى طرق منع الجمود في منع حدوثه في مرحلة تطوير البرامج. للقيام بذلك ، يمكنك استخدام محللات التعليمات البرمجية أو أجهزة التحليل الثابتة أو الأدوات الأخرى التي تبحث عن أماكن يحتمل أن تكون خطرة في الكود والتي يمكن أن تؤدي إلى طريق مسدود. يمكن أن يكون هذا النهج فعالا إذا كانت مشاكل الجمود معروفة بالفعل وكان من الممكن تطبيق التدابير المناسبة لمنعها.
2. كشف الجمود
إذا لم يكن التحذير من الجمود ممكنا في مرحلة التطوير ، فيمكنك استخدام آليات اكتشاف الجمود أثناء تشغيل البرنامج. هذا يسمح لك بالكشف عن وجود طريق مسدود واتخاذ التدابير المناسبة لحلها. يمكن استخدام الخوارزميات القائمة على البحث عن الدورات في الرسم البياني لاعتماد الموارد للكشف عن الجمود. هناك أيضا أدوات خاصة تسمح لك بتتبع الجمود في الوقت الفعلي واقتراح الحلول الممكنة.
3. الترتيب الهرمي
استخدام الترتيب الهرمي للموارد هو نهج آخر للتعامل مع الجمود. يشير هذا الأسلوب إلى أن كل مؤشر ترابط أو عملية تطلب موارد بترتيب معين ، مما يؤدي إلى إنشاء تسلسل هرمي. على سبيل المثال ، إذا طلب مؤشر ترابط مورد س ثم مورد ص ، فيجب أن يطلب مؤشر ترابط ب موارد بنفس الترتيب. وهذا يساعد على منع حلقات التبعية وبالتالي الجمود من الحدوث.
4. عملية واحدة-مورد واحد
وثمة نهج آخر للتعامل مع الجمود يتمثل في التقليل إلى أدنى حد من عدد الموارد الممكنة التي قد تكون مترابطة. إذا كان بإمكان كل عملية أو مؤشر ترابط طلب مورد واحد فقط في كل مرة ، فإن احتمال الجمود يصبح أقل بكثير. ومع ذلك ، قد يكون هذا النهج غير فعال من حيث استخدام الموارد والأداء.
5. عمليات المقاطعة
في حالة حدوث حالة توقف تام ، يمكنك استخدام طريقة انقطاع العملية لحل حالة الجمود. هذا يعني أنه يمكن مقاطعة عملية واحدة أو أكثر لتحرير الموارد وحل الجمود. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي هذا النهج إلى فقدان البيانات وليس الحل المفضل.
6. تحسين الخوارزميات
هناك طريقة أخرى للتعامل مع الجمود وهي تحسين الخوارزميات لتقليل احتمالية حدوثها. قد يشمل ذلك إعادة صياغة منطق البرنامج ، ومراجعة ترتيب طلبات الموارد ، والتغييرات الأخرى التي قد تؤثر على حدوث حالة توقف تام.
7. استبعاد استخدام الأقفال
إذا أمكن ، يمكنك محاولة تجنب استخدام الأقفال في رمز البرنامج. بدلا من ذلك ، يمكن تطبيق طرق أخرى ، مثل البرمجة غير المتزامنة ، أو استخدام الخوارزميات غير المحظورة ، أو آليات المزامنة التي لا تتطلب تأمين الموارد.
8. استخدام المعاملات
هناك طريقة أخرى للتعامل مع الجمود وهي استخدام المعاملات. تتيح لك المعاملات التأكد من عدم حظر أي موارد بشكل دائم ، حيث يمكن التراجع عن جميع التغييرات التي تم إجراؤها داخل المعاملة.
سؤال وجواب
ما هو الجمود?
الجمود هو الشرط الذي اثنين أو أكثر من المواضيع ينتظرون الموارد التي تحتلها المواضيع الأخرى ولا يمكن أن تتحرك أبعد من ذلك.
ماذا يمكن أن تكون أسباب الجمود?
يمكن أن يحدث الجمود إذا كانت هناك أربعة شروط رئيسية: القفل المتبادل (يتم حظر اثنين أو أكثر من مؤشرات الترابط وانتظار الموارد التي تشغلها مؤشرات الترابط الأخرى) ، وعدم وجود انقطاع (لا يمكن مقاطعة الموارد التي تم التقاطها مسبقا وإصدارها بواسطة مؤشر ترابط آخر) ، واستعادة الموارد (يحدث حظر مؤشر الترابط حتى يتم تحرير جميع الموارد اللازمة) و ركوب الدراجات (حلقات الخيوط ، حيث ينتظر كل مؤشر ترابط موردا يشغله مؤشر ترابط آخر).
كيف يمكنني تحديد ما إذا كان الجمود يحدث?
يمكن استخدام خوارزمية الكشف عن الجمود لتحديد الجمود. يعتمد على البحث عن دورات في الرسم البياني للتدفقات والموارد. إذا تم العثور على حلقة ، فهناك طريق مسدود. خوارزميات الكشف عن الجمود الشائعة هي خوارزمية الانعكاس العكسي وخوارزمية المصرفي.
ما هي طرق التعامل مع الجمود موجودة?
هناك عدة طرق للتعامل مع الجمود. واحد منهم هو منع الجمود. وهو يتألف من منع واحد أو أكثر من الشروط اللازمة لحدوث طريق مسدود. طريقة أخرى هي اكتشاف الجمود ثم حل الموقف. عند اكتشاف حالة توقف تام ، يحاول النظام حلها عن طريق إلغاء العمليات أو مقاطعة مؤشرات الترابط. الطريقة الثالثة هي تجنب الجمود. وهو ينطوي على استخدام الخوارزميات والاستراتيجيات التي تزيد من استخدام الموارد وتقلل من احتمال حدوث طريق مسدود.
كيف يمكنني تجنب الجمود?
يمكن استخدام الأساليب التالية لتجنب الجمود: التخصيص المكاني للموارد ، وتشكيل تسلسل هرمي للموارد ، والحد من وقت الانتظار ، وانقطاع حظر الموارد ذات الأولوية ، واستخدام خوارزميات تخصيص الموارد الديناميكية ، وما إلى ذلك. من المهم أيضا تطوير البرنامج بشكل صحيح ، مع مراعاة المآزق المحتملة.