2. Семафоры

 

Все описанные выше ключевые понятия, относящиеся к взаимо­исключению, Дейкстра суммировал в своей концепции семафоров (Di65). Семафор — это защищенная переменная, значение которой можно опрашивать и менять только при помощи специальных опе­раций Р и V и операции инициализации, которую мы будем назы­вать «инициализациясемафора». Двоичные семафоры могут прини­мать только значения 0 и 1. Считающие семафоры (семафоры со счетчиками) могут принимать неотрицательные целые значения.

Операция Р над семафором записывается как P(S) и выполняется следующим образом:

если S > О

то S: =S— 1

иначе (ожидать на S)

 

Операция V над семафором S записывается как V(S) и выпол­няется следующим образом;

если (один или более процессов ожидают на S)

            то (разрешить одному из этих процессов продолжить работу)

            иначе S : = S + 1

 

Будем предполагать, что очередь процессов, ожидающих на обслуживается в соответствии с дисциплиной «первый пришедший обслуживается первым» (FIFO).

Подобно операции проверки и установки testandset, операции Р и V являются неделимыми. Участки взаимоисключения по сема­фору S в процессах обрамляются операциями P(S) и V(S). Если одновременно несколько процессов попытаются выполнить операцию P(S), это будет разрешено только одному из них, а остальным придется ждать.

Семафоры и операции над ними могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Как правило, они реализуются в ядре операционной системы, где осуществляется управление сме­ной состояния процессов.

На рис. 2 приводится пример того, каким образом можно обеспечить взаимоисключение при помощи семафоров. Здесь при­митив Р (активный) — эквивалент для «входвзаимоисключения», а примитив V (активный) — для «выходвзаимоисключения».

           

program примерсемафораодин;

     var активный: семафор;

procedure процессодин;

begin

while истина do begin

предшествующиеоператорыодин;

            Р(активный);

            критическийучастокодин;

            V(активный);

прочиеоператорыодин^;

            end

end;

procedure процессдва;

begin

while истина do begin

предшествующиеоператорыдва Р(активный);

            критическийучастокдва;

            V(активный);

            прочиеоператорыдва

            еnd

 end;

begin

инициализациясемафора(активный,1);

parbegin

процессодин;

            процессдва parend

end;

 

Рис. 2. Обеспечение взаимоисключения при помощи семафора и примитивов Р и V.

 

3. Синхронизация процессов при помощи семафоров

 

Когда процесс выдает запрос ввода-вывода, он блокирует себя в ожидании завершения соответствующей операции ввода-вывода. Заблокированный процесс должен быть активизирован каким-либо другим процессом. Подобное взаимодействие может служить при­мером функций, относящихся к протоколу блокирования/возобнов­ления.

Рассмотрим более общий случай, когда одному процессу необ­ходимо, например, чтобы он получал уведомление о наступлении некоторого события. Предположим, что какой-либо другой процесс может обнаружить, что данное событие произошло. Программа рис. 3 показывает, каким образом при помощи семафора можно реализовать простой механизм синхронизации (блокирования/во­зобновления) для двух процессов.

 

program блокированиевозобновления;

      var событие: семафор;

procedure процессодин;

begin

предшествующиеоператорыодин;

Р(событие);

прочиеоператорыодин

end;

procedure процессдва;

begin

предшествующиеоператорыдва;

V(событие);

прочиеоператорыдва

end;

begin

инициализациясемафора(событие,0);

parbegin

процессодин;

процессдва parend

end;

 

Рис. 3. Синхронизация блокирования/возобновление процессов при помощи семафоров.

 

Здесь «процессодин» выполняет некоторые «предшествующие операторыодин», а затем операцию Р (событие). Ранее при инициализа­ции семафор был установлен в нуль, так что «процессодин» будет ждать. Со временем «процессдва» выполнит операцию V (событие), сигнализируя о том, что данное событие произошло. Тем самым «процессодин» получает возможность продолжить свое выполнение.

Отметим, что подобный механизм будет выполнять свои функ­ции даже в том случае, если «процессдва» обнаружит наступление события и просигнализирует об этом еще до того, как «процессодин» выполнит операцию Р (событие); при этом семафор переключится из 0 в 1, так что операция Р (событие) просто произведет обратное Переключение, из 1 в 0, и «процессодин» продолжит свое выполнение без ожидания.