2. Что представляет из себя примитив синхронизации “Семафор”? Опишите его интерфейс.

Семафор - это примитив синхронизации потоков, который позволяет войти в заданный участок кода не более чем n потокам (это определение дал выдающийся ученый Эдсгер Дейкстра).

Обычно семафор нужен для того, чтобы ограничить доступ к некоторому ресурсу, заданным количеством потоков приложения (ресурсом может быть например внешнее устройство, или некий сетевой ресурс).

При входе в критический участок (КУ) процесса функция P(s) проверяет значение семафора, и если оно равно 0 – блокирует процесс, если не равно 0 – отнимает от значения семафора 1 и пропускает процесс в КУ. По завершении работы с общим ресурсом ф-я V(s) прибавляет к значению семафора 1, что позволяет другим процессам обращаться к общему ресурсу.

2. Что представляет из себя примитив синхронизации “Монитор”? Опишите его интерфейс.

Мониторы представляют собой тип данных, который может быть с успехом внедрен в объектно-ориентированные языки программирования. Монитор обладает собственными переменными, определяющими его состояние. Значения этих переменных извне могут быть изменены только с помощью вызова функций-методов, принадлежащих монитору. В свою очередь, эти функции-методы могут использовать в работе только данные, находящиеся внутри монитора, и свои параметры.

Если функция монитора не может выполняться дальше, пока не наступит некоторое событие, она выполняет операцию wait над какой-либо условной переменной. При этом процесс, выполнивший операцию wait, блокируется, становится неактивным, и другой процесс получает возможность войти в монитор.

Когда ожидаемое событие происходит, другой процесс внутри функции-метода совершает операцию signal над той же самой условной переменной. Это приводит к пробуждению ранее заблокированного процесса, и он становится активным. Если несколько процессов дожидались операции signal для этой переменной, то активным становится только один из них.

2. Какие инструкции аппаратной синхронизации вы знаете? Приведите 2 примера, как на их основе можно построить различные примитивы синхронизации (условные переменные, семафоры, …).

Переменная-замок

Одним из возможных не вполне корректных решений проблемы синхронизации является использование переменной-замка. Например, можно сделать условием вхождения в критическую секцию значение 0 некоторой разделяемой переменной lock. Сразу же после проверки это значение меняется на 1 (закрытие замка). При выходе из критической секции замок открывается (значение переменной lock сбрасывается в 0).

TSL команды

Многие вычислительные архитектуры имеют инструкции, которые могут обеспечить атомарность последовательности операций при входе в критическую секцию. Такие команды называются Test and_Set Lock или TSL командами.

Спин-блокировка

Рассмотренные решения проблемы синхронизации, безусловно, являются корректными. Они реализуют следующий алгоритм: перед входом в критическую секцию поток проверяет возможность входа и, если такой возможности нет, продолжает опрос значения переменной-замка. Такое поведение потока, связанное с его вращением в пустом цикле, называется активным ожиданием или спин-блокировкой (spin lock). Очевидно, что на однопроцессорной машине это пустая трата машинного времени, поскольку значение опрашиваемой переменной в течение этого цикла не может быть волшебным образом изменено. Спин-блокировка, хотя бы временная, может быть полезна на многопроцессорных машинах, где один из потоков крутится в цикле, а второй - работает на другом процессоре и может изменить значение переменной-замка. В этом случае у активно ожидающего потока есть шанс быстро войти в критическую секцию, не будучи блокированным. Блокировка потока связана с переходом в режим ядра (примерно 1000 тактов работы процессора).Однако более разумным решением, особенно на однопроцессорных машинах, представляется перевод потока в состояние ожидания, если вход в критическую секцию запрещен. После снятия запрета на вход в критическую секцию этот поток переводится в состояние готовности.

Функции EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection реализованы на основе Interlocked-функций, выполняются атомарным образом и работают очень быстро. Существенным является то, что в случае невозможности входа в критический участок поток переходит в состояние ожидания. Впоследствии, когда такая возможность появится, поток будет "разбужен" и сможет сделать попытку входа в критическую секцию. Механизм пробуждения потока реализован с помощью объекта ядра "событие" (event), которое создается только в случае возникновения конфликтной ситуации.Уже говорилось, что иногда, перед блокированием потока, имеет смысл некоторое время удерживать его в состоянии активного ожидания. Чтобы функция EnterCriticalSection выполняла заданное число циклов спин-блокировки, критическую секцию целесообразно проинициализировать с помощью функции InitalizeCriticalSectionAndSpinCount.

Мьютексы также представляют собой объекты ядра, используемые для синхронизации, но они проще семафоров, так как регулируют доступ к единственному ресурсу и, следовательно, не содержат счетчиков. По существу они ведут себя как критические секции, но могут синхронизировать доступ потоков разных процессов. Инициализация мьютекса осуществляется функцией CreateMutex, для входа в критическую секцию используется функция WaitForSingleObject, а для выхода - ReleaseMutex. Если поток завершается, не освободив мьютекс, последний переходит в свободное состояние. Отличие от семафоров в том, что поток, занявший мьютекс, получает права на владение им. Только этот поток может освободить мьютекс. Поэтому мнение о мьютексе как о семафоре с максимальным значением 1 не вполне соответствует действительности.

Известно, что семафоры, предложенные Дейкстрой в 1965 г., представляет собой целую переменную в пространстве ядра, доступ к которой, после ее инициализации, может осуществляться через две атомарные операции: wait и signal (в ОС Windows это функции WaitForSingleObject и ReleaseSemaphore соответственно).

wait(S): если S <= 0 процесс блокируется

(переводится в состояние ожидания);

в противном случае S = S - 1;

signal(S): S = S + 1

Семафоры обычно используются для учета ресурсов (текущее число ресурсов задается переменной S) и создаются при помощи функции CreateSemaphore, в число параметров которой входят начальное и максимальное значение переменной. Текущее значение не может быть больше максимального и отрицательным. Значение S, равное нулю, означает, что семафор занят.