2. Алгоритм Петерсона.

Другим подходом к решению задачи организации взаимного исключения является изобретение различных алгоритмов, позволяющих процессам синхронизировать свою работу программно. Одним из первых программных решений является алгоритм Петерсона.

Алгоритм Петерсона для случая 2х процессов представлен на Рис. 4.

Рис. 4 Алгоритм Петерсона

Элементы массива flag символизируют собой желание соответствующего процесса попасть в критическую секцию. Каждый из процессов видит все элементы массива flag, но модифицирует только «свой» элемент. Переменная turn устанавливает очередность прохождения критической секции при обоюдном желании процессов вступить в нее. Благодаря тому, что каждый из процессов прежде всего устанавливает флаг очередности в пользу другого процесса, исключается ситуация «монополизации» ресурса одним из процессов и вечного блокирования второго.

3. Активное ожидание.

Общим недостатком рассмотренных выше решений является то, что процесс, желающий получить доступ к занятому ресурсу, блокируется в состоянии так называемого активного ожидания (в англоязычной литературе – busy waiting), т.е. в цикле постоянно проверяет, не наступило ли условие, при котором он сможет войти в критическую секцию. Использование активного ожидания приводит к бесполезному расходованию процессорного времени и как следствие, снижению общей производительности системы. Кроме того, при некоторых стратегиях планирования времени ЦП в целом корректный алгоритм с активным ожиданием может привести к тупику. Примером может служить стратегия планирования с приоритетами, когда процесс, имеющий больший приоритет, загружается на выполнение и переходит в состояние активного ожидания, в то время как процесс с меньшим приоритетом захватил необходимый ресурс, но был выгружен до того, как освободил его. Поскольку процесс с большим приоритетом не блокирован, а готов к продолжению выполнения, переключение процессов не происходит, и процесс, владеющий ресурсом, никогда не сможет его освободить.

Далее мы рассмотрим ряд подходов, которые позволяют реализовать взаимное исключение без использования активного ожидания. Основная идея всех этих подходов в том, чтобы блокировать ожидающий процесс, вместо того, чтобы оставлять его в состоянии активного ожидания, а затем, при наступлении возможности использования нужного ресурса, разблокировать один из ранее заблокированных процессов. Для этого, однако, требуется определенная поддержка со стороны ОС, так как именно в ее ведении находится переключение состояний процессов.

4. Семафоры.

Первый из таких подходов был предложен Дейкстрой в 1965 г. Дейкстра предложил новый тип данных, именуемый семафором. Семафор представляет собой переменную целого типа, над которой определены две операции: down(P) и up(V).² Операция down проверяет значение семафора, и если оно больше нуля, то уменьшает его на 1. Если же это не так, процесс блокируется, причем операция down считается незавершенной. Важно отметить, что вся операция является неделимой, т.е. проверка значения, его уменьшение и, возможно, блокирование процесса производятся как одно атомарное действие, которое не может быть прервано. Операция up увеличивает значение семафора на 1. При этом, если в системе присутствуют процессы, блокированные ранее при выполнении down на этом семафоре, ОС разблокирует один из них с тем, чтобы он завершил выполнение операции down, т.е. вновь уменьшил значение семафора. При этом также постулируется, что увеличение значения семафора и, возможно, разблокирование одного из процессов и уменьшение значения являются атомарной неделимой операцией.

Чтобы прояснить смысл использования семафоров для синхронизации, можно привести простую аналогию из повседневной жизни. Представим себе супермаркет, посетители которого, прежде чем войти в торговый зал, должны обязательно взять себе инвентарную тележку. В момент открытия магазина на входе имеется N свободных тележек – это начальное значение семафора. Каждый посетитель забирает одну из тележек (уменьшая тем самым количество оставшихся на 1) и проходит в торговый зал – это аналог операции down. При выходе посетитель возвращает тележку на место, увеличивая тележек на 1 – это аналог операции up. Теперь представим себе, что очередной посетитель обнаруживает, что свободных тележек нет – он вынужден блокироваться на входе в ожидании появления тележки. Когда один из посетителей, находящихся в торговом зале, покидает его, посетитель, ожидающий тележку, разблокируется, забирает тележку и проходит в зал. Таким образом, наш семафор в виде тележек позволяет находиться в торговом зале (аналоге критической секции) не более чем N посетителям одновременно. Положив N = 1, получим реализацию взаимного исключения. Семафор, начальное (и максимальное) значение которого равно 1, называется двоичным семафором (так как имеет только 2 состояния: 0 и 1). Использование двоичного семафора для организации взаимного исключения проиллюстрировано на Рис. 5.

Рис. 5 Взаимное исключение с использованием семафора

Семафоры представляют собой мощное средство синхронизации, однако программирование с использованием семафоров является достаточно тяжелой задачей, причем незаметная на первый взгляд логическая ошибка может привести к образованию тупиковых ситуаций или нарушению условий синхронизации.

С целью облегчить написание корректных программ были предложены более высокоуровневые средства синхронизации, которые мы рассмотрим далее.