Делаем систему параллелизма надёжнее
Сегодня посмотрим как смоделировать программу с конкурентностью на FSP. Сначала давайте разберемся, зачем вообще нужна конкурентность. Вот что можно сделать с её помощью:
- Повысить производительность многопроцессорного железа, это и
называется параллелизм;
- Увеличить пропускную способность приложения (вызову
ввода-вывода нужно блокировать только один поток);
- Сделать приложение отзывчивее за счёт выполнения основных задач
параллельно фоновым (высокоприоритетный поток для запросов
пользователей);
- Структурировать программу, повысив её эффективность
(взаимодействующие со средой программы управляют несколькими
действиями и обрабатывают несколько событий).
Сгенерированная инструментом LTSA диаграмма состояний
Что это за язык FSP?
Finite state processes (FSP) это абстрактный язык, на котором разрабатывают системы конкурентных процессов.
Мы моделируем предлагаемую архитектуру, чтобы добавить уверенности в её обоснованности и адекватности. Параллелизм, как и большинство сложных задач проектирования, лучше всего разбирать с помощью нескольких слоёв абстракции.
Во-первых, нам нужно ясно понять функциональные требования к системе, в том смысле, какого поведения мы от неё хотим. Затем нужно изучить возможные роли параллелизма. Лучше всего сделать это с помощью абстрагирования потоков без привязки к конкретной реализации.
Окончательный выбор механизмов реализации параллелизма должен оставаться открытым, насколько это возможно, чтобы позволять тонко настраивать производительность и гибкость распределения компонентов, различные в разных конфигурациях продукта.
Как с помощью алгебры процессов (FSP) описать конкурентные процессы
Легче объяснять понятия и модели на примере. Проанализируем и смоделируем ситуацию, когда два студента. чтобы распечатать документы, вместе пользуются принтером, а техник заполняет принтер листами.
Вначале проанализируем принтер
- В принтер помещается только три листа, студенты могут распечатать до трёх документов;
- Если листов нет, принтер нужно заполнить ими.
const MIN_SHEET_COUNT=1const MAX_SHEET_COUNT=3range DOC_COUNT=MIN_SHEET_COUNT .. MAX_SHEET_COUNTrange SHEET_STACK=0 .. MAX_SHEET_COUNTPRINTER(SHEETS_AVAILABLE = MAX_SHEET_COUNT) = ( start -> PRINTER_AVAILABLE[MAX_SHEET_COUNT]), PRINTER_AVAILABLE[sheets_available: SHEET_STACK] = if (sheets_available > 0) then (acquire -> print[DOC_COUNT] -> release -> PRINTER_AVAILABLE[sheets_available - 1]) else (empty -> refill_printer -> release -> PRINTER_AVAILABLE[MAX_SHEET_COUNT]).
Процесс PRINTER
Когда пользователь (студент или техник) получает принтер, принтер печатает документ, отдаёт его пользователю и возвращается в исходное состояние. Это называется повторяющимся поведением.
Как анимировать процесс
Чтобы анимировать процесс, сначала скомпилируйте (compile [1]) код, затем перейдите на вкладку draw. Нажмите кнопку animatе [2].
Анимация процесса PRINTER
В аниматоре видно, что принтер напечатал три документа и пошёл на заправку. Заправлять принтер должен техник. Эту часть мы проанализируем позже.
Печатающий документы студент
Код на FSP можно написать при помощи условных процессов (if, then, else). DOCSTOPRINT = 3 это переданный процессу параметр 3. Процесс PRINT начинается с 0. Doc_count это метка индексированного действия, которая ведёт к этому действию: PRINT [doc_count].
STUDENT(DOCS_TO_PRINT = 3) = PRINT[0],PRINT[doc_count: 0 .. DOCS_TO_PRINT] = if (doc_count < DOCS_TO_PRINT)then ( acquire -> print -> release -> PRINT[doc_count + 1] )else ( terminate -> END ).
Процесс STUDENT с условным процессом
Тот же самый процесс можно написать и с помощью защищённых процессов.
STUDENT(DOCS_TO_PRINT = 3) = PRINT[0],PRINT[doc_count: 0 .. DOCS_TO_PRINT] = ( when (doc_count < DOCS_TO_PRINT) acquire -> print -> release -> PRINT[doc_count + 1] | when (document_count == DOCUMENTS_TO_PRINT) terminate -> END ).
Процесс STUDENT с защищённым процессом
Анимация процесса STUDENT
Теперь проанализируем техника, который устанавливает бумагу в принтер
TECHNICIAN = (empty -> refill_printer -> release -> TECHNICIAN | terminate -> END) .
У процесса техника несколько вариантов действий. Но при синхронизации процессов техника и студента блокируется вариант немедленного завершения.
Анимация процесса техника
Наконец, давайте посмотрим на составной процесс
- Составной процесс должен быть синхронизирован со всеми
подпроцессами, для этого можно определить набор действий с именем
PRINT_Actions.
- terminate/s1.terminate это перемаркированное действие. С
помощью мы переназначаем действие s1.terminate, чтобы просто
завершить процесс. В противном случае аниматор покажет
s1.terminate, s2.terminateиtcn.terminate.
- Чтобы синхронизировать пользователей с PRINTER, можно
использовать взаимоисключающий общий ресурс.
|| SHARED_PRINTER = (s1: STUDENT(2) || s2: STUDENT(3) || tcn : TECHNICIAN || All_Users :: PRINTER)
Это позволит одному пользователю получить ресурс, а другому освободить его. Следовательно, когда PRINTER состоит из процессов USER, эта композиция гарантирует, что только получивший ресурс пользователь может освободить его.
const MIN_SHEET_COUNT=1const MAX_SHEET_COUNT=3range DOC_COUNT=MIN_SHEET_COUNT .. MAX_SHEET_COUNTrange SHEET_STACK=0 .. MAX_SHEET_COUNTset All_Users = {s1, s2, tcn}set PRINT_Actions = {acquire, print, release, empty}PRINTER(SHEETS_AVAILABLE = MAX_SHEET_COUNT) = PRINTER_AVAILABLE[MAX_SHEET_COUNT],PRINTER_AVAILABLE[sheets_available: SHEET_STACK] = if (sheets_available > 0)then ( acquire -> print -> release -> PRINTER_AVAILABLE[sheets_available - 1] )else ( empty -> release -> PRINTER_AVAILABLE[MAX_SHEET_COUNT] ).STUDENT(DOCS_TO_PRINT = 1) = PRINT[0],PRINT[doc_count: 0 .. DOCS_TO_PRINT] = if (doc_count < DOCS_TO_PRINT)then ( acquire -> print -> release -> PRINT[doc_count + 1] )else ( terminate -> END )+ PRINT_Actions.TECHNICIAN = (empty -> refill_printer -> release -> TECHNICIAN | terminate -> END) + PRINT_Actions.|| SHARED_PRINTER = (s1: STUDENT(2) || s2: STUDENT(3) || tcn : TECHNICIAN || All_Users :: PRINTER) / {terminate/s1.terminate,terminate/s2.terminate,terminate/tcn.terminate}.
Составной процесс системы принтера
Я надеюсь, что этот материал поможет вам в изучении параллелизма на FSP.
Другие профессии и курсы
ПРОФЕССИИ
КУРС
- Профессия Frontend-разработчик
- Профессия Веб-разработчик
- Профессия Этичный хакер
- Профессия C++ разработчик
- Профессия Разработчик игр на Unity
- Профессия iOS-разработчик с нуля
- Профессия Android-разработчик с нуля
КУРС
- Курс по Machine Learning
- Курс Математика и Machine Learning для Data Science
- Курс Алгоритмы и структуры данных
- Курс Python для веб-разработки
- Курс по аналитике данных
- Курс по DevOps
