1. Способы реализации взаимного исключения.

   1. Запрещение прерываний и специальные инструкции.

Простейшее умозаключение, которое, на первый взгляд, решает проблему синхронизации доступа к критическим ресурсам, заключается в следующем: некорректная работа с разделяемыми ресурсами возникает в том случае, если переключение процессов происходит в тот момент, когда выполняющийся процесс начал работу с разделяемым ресурсом, но не закончил ее, т.е. находится в своей критической секции. Чтобы этого не происходило, процесс должен запретить все прерывания непосредственно после входа в критическую секцию и разрешить их перед самым выходом из нее. Если прерывания запрещены, то переключения процессов не происходит, так как передача управления планировщику может быть реализована только с использованием прерываний (это может быть как прерывание по таймеру, так и другие прерывания, например, при заказе обмена). Таким образом, запрещение прерываний гарантирует процессу, что никакой другой процесс не обратится к разделяемому ресурсу, пока прерывания не будут разрешены.

Этот подход, однако, имеет ряд существенных недостатков. Первым из них является снижение общей производительности системы вследствие ограничения возможности переключения процессов для оптимальной загрузки процессора. Другая проблема заключается в том, что нет никаких гарантий, что процесс, запретивший прерывания, не зациклится в своей критической секции, тем самым приведя систему в полностью неработоспособное состояние. Цена программной ошибки здесь становится слишком высокой. Кроме всего прочего, для многопроцессорной системы запрещение прерываний не гарантирует даже взаимного исключения, так как запрещение прерываний на одном из процессоров никак не влияет на исполнение процессов на других процессорах ВС, и эти процессы по-прежнему имеют доступ к разделяемому ресурсу, например, ячейке общей памяти.

Для организации взаимного исключения на многопроцессорной системе с общей памятью могут использоваться специальные машинные инструкции. Примером такой инструкции может служить TSL – test and set lock, реализующая чтение ячейки памяти и запись нового значения в ту же ячейку как единую операцию. При этом гарантируется, что совокупность операций чтения и записи ячейки памяти является неделимой, т.е. доступ к ячейке памяти со стороны других процессоров блокируется на все время исполнения инструкции. Вариацией этой идеи является специальная инструкция exchange, которая меняет местами содержимое регистра и ячейки памяти. Здесь опять гарантируется, что на все время выполнения инструкции доступ к ячейке памяти блокируется.

Используя эти инструкции и дополнительную разделяемую переменную, значение которой говорит о том, можно ли в данный момент войти в критическую секцию, процессы могут синхронизировать свою работу. Возможность считывать старое значение и записывать новое за одну операцию позволяет избежать ситуации, когда процесс, считав значение переменной, говорящее ему о том, что он может войти в свою критическую секцию, не успеет изменить ее значение на «занято» и будет в этот момент прерван; другой же процесс, получивший управление, считает неизмененное значение переменной, которое позволит и ему войти в критическую секцию, в результате чего два процесса одновременно окажутся в критических секциях.