Взаємо-виключення

Спосіб взаємодії між процесами, при якому підчас звертання одного із процесів до даних які спільно використовуються (розділяються), усім іншим процесам звертання до цих даних заборонено, називається взаємо-виключенням.

Якщо процес звертається до даних, що розділяються, то цей процес знаходиться у своїй критичній ділянці коду (або в критичній секції). Для всіх інших процесів, що розділяють дані, можливість входу в критичні ділянки повинна виключаться.

Процес повинен проходити свою критичну ділянку якнайшвидше. Він не повинен блокуватися у критичній ділянці. Критичні ділянки треба програмувати найбільш ретельно, щоби виключити, наприклад, зациклювання.

Для прикладу розглянемо задачу.

Програма друкування файлів. Програма повинна надрукувати всі файли, імена яких послідовно (у порядку надходження) розміщені у загальнодоступному файлі „замовлень”, іншими програмами.

Спеціальна ,загальнодоступна, змінна Next містить номер першої вільної, доступної для запису позиції файлу замовлень. Процеси-клієнти читають цю змінну, записують у вказану позицію файлу „замовлень” назву свого файлу та нарощують значення Next на одиницю.

Припустимо, що в деякий момент процес R вирішив роздрукувати свій файл. (Див. Рис. __). Для цього він прочитав значення змінної Next (допустимо, що воно рівне 4). Процес запам’ятав це значення, але розмістити імені файлу не встиг, так як його виконання було перерване (вичерпався квант часу).

Рис. __

Черговий процес S, який хоче роздрукувати свій файл, прочитав те саме значення змінної , розмістив свій файл у вказаній позиції (4) та наростив значення змінної на одиницю.

Коли керування буде передано процесові R, то він продовжить своє виконання з розміщення імені свого файлу в позицію 4 файлу „замовлень”, так як цю позицію він запам’ятав підчас попереднього кванту часу, підмінивши таким чином назву файлу, що записана процесом S.

Таким чином процес S ніколи не побачить свого файлу роздрукованим.

Складність проблеми синхронізації полягає в нерегулярності ситуацій, що виникають. Усе визначається взаємними швидкостями виконання процесів та моментами їх переривання. Тому відлагодження процесів, що взаємодіють є складною задачею. Ситуація, подібна тій, що розглянута у прикладі, коли два чи більше процесів обробляють спільні дані (ті, що розділяються) а кінцевий результат залежить від співвідношення швидкостей цих процесів, називається перегонами.

Для вирішення проблеми, що описана прикладом друкування файлів, необхідно реалізувати задачу із взаємо-виключення із забезпеченням наступних чотирьох обмежень:

1. Задача повинна розв’язуватися чисто програмним способом на машині без спеціальних команд взаємо-виключення.

Причому: - кожна машинна команда виконується як операція, що не може бути поділена;

- при одночасній спробі декількох процесів звернутися до того ж самого елементу даних спрацьовує апаратна схема захисного блокування пам’яті (будується черга, що дозволяє виконувати тільки одне звертання в кожен певний момент часу);

2. Не повинно бути ніяких припущень щодо відносних швидкостей виконання асинхронних паралельних процесів.

3. Процеси, що знаходяться поза своїми критичними секціями, не можуть заважати іншим процесам заходити у свої власні критичні ділянки.

4. Не повинно бути безмежного відкладання часу входу процесів у свої критичні ділянки.

Програмну реалізації цієї задачі запропонував голландський математик Дейкстра.

Алгоритм Дейкстри.

Процес 1. (П1). Процес 2. (П2).

program Алгоритм Дейкстри

var вибранийпроцес : цілий; { перший, другий }

П1хочезайти, П2хочезайти: логічний;

procedure Процес1

begin

while правда do begin

П1хочезайти := правда;

while П2хочезайти do begin { зовнішній цикл очікування }

if вибранийпроцес = другий then begin

П1хочезайти := неправда;

while вибранийпроцес = другий do

П1хочезайти := правда; { внутрішній цикл очікування }

end;

end;

{ початок критичної ділянки П1}

вибранийпроцес := другий;

П1хочезайти := неправда;

... { оператори критичної ділянки П1}

{ кінець критичної ділянки П1}

end;

end;

procedure Процес2

begin

while правда do begin

П2хочезайти := правда;

while П1хочезайти do begin { зовнішній цикл очікування }

if вибранийпроцес = другий then begin

П2хочезайти := неправда;

while вибранийпроцес = перший do

П2хочезайти := правда; { внутрішній цикл очікування }

end;

end;

{ початок критичної ділянки П2}

вибранийпроцес := перший;

П2хочезайти := неправда;

... { оператори критичної ділянки П2}

{ кінець критичної ділянки П2}

end;

end;

{ основна програма }

begin

П1хочезайти := неправда;

П2хочезайти := неправда;

вибранийпроцес := перший;

parbegin

Процес1;

Процес2;

parend

end;

1. Процес П1 повідомляє про бажання увійти в свою критичну ділянку. Встановлює свій прапорець.

2. Процес П1 переходить до циклу, в якому перевіряє чи процес П2 не хоче також увійти у свою критичну ділянку коду.

3. Якщо, прапорець процесу П2 не встановлений, то П1 пропускає тіло циклу очікування та заходить у свою критичну ділянку.

4. Допускаємо, що П1 при виконанні циклу перевірки виявив, що прапорець П2 встановлено. Це примушує П1 увійти в тіло циклу очікування.

5. Аналізується значення змінної „вибраний процес”, яка використовується для вирішення конфліктів, які виникають у випадку, коли два процеси хочуть одночасно увійти в свої критичні ділянки.

6. Якщо, „вибраний процес” – П1, то він повторно виконує тіло свого циклу очікування моменту коли П2 скине свій прапорець.

7. Якщо, процес П1 виявляє, що „вибраний процес” (має право переваги) – П2, то він заходить у тіло свого циклу та скидає власний прапорець, а потім блокується у циклі доти, поки „вибраним процесом” залишається П2. Скидаючи свій прапорець П1 дає можливість П2 зайти у свою критичну ділянку.

8. З часом П2 вийде із своєї критичної ділянки і виконає оператор „вихід із взаємо-виключення”. Цей оператор забезпечує повернення права переваги процесу П1 і скидання прапорця П2.

9. Тепер у П1 з’являється можливість вийти із внутрішнього циклу очікування і встановити власний прапорець. Потім П1 виконує зовнішній цикл перевірки. Якщо, прапорець П2 (який, тільки що був скинутий) і далі скинутий, то П1 заходить у свою критичну ділянку.

10. Якщо П2 одразу ж намагається знову увійти в критичну ділянку, то його прапорець буде встановлений і П1 знову необхідно буде увійти в тіло зовнішнього циклу.

11. Але у цьому випадку керування вже знаходиться в П1, оскільки зараз саме він є „вибраним процесом”. Зауважимо, що П1 виходячи зі своєї критичної ділянки присвоїв змінній „вибраний процес” значення 1. Тому, П1 тіло конструкції if та виконує зовнішній цикл перевірки, доки П2 не скине власний прапорець, дозволивши П1 зайти у свою критичну ділянку.

Розглянемо цікаву деталь. Коли, П1 виходить із внутрішнього циклу активного очікування, він може втратити центральний процесор, а П2 в той час пройде свій цикл і знову буде намагатися увійти в свою критичну ділянку. При цьому П2 першим встановить свій прапорець і знову увійде в свою критичну ділянку.

Коли, П1 знову отримає у своє розпорядження процесор, він встановить свій прапорець. Оскільки зараз буде черга процесу П1, то П2 (якщо він знову буде намагатися увійти в свою критичну ділянку) буде вимушений скинути свій прапорець і перейти на внутрішній цикл активного очікування. Так що, П1отримає можливість входу в свою критичну ділянку.

У такий спосіб вирішується проблема безмежного відкладення.

Програмне вирішення проблеми реалізації примітивів взаємо-виключення для N процесів вдосконалив Д.Кнут, виключивши можливість безмежного відкладення процесів. Ейзенберг та Макчаєр запропонували рішення яке гарантує, що процес заходитиме у свою критичну ділянку не більше ніж за N – 1 спробу.