Критические области.

Критические области это участки программ кода которые осуществляют доступ к разделяемым с другими процессами данных. Основой пути борьбы состязания процессов это взаимное переключение, т.е. в один момент времени разделяемыми данными может пользоватся только 1 процесс. Длительность этого промежуткавремени совпадает со временем вполнения критической секции. Доказано что для избежания состязаний необходимо выполнение часных условий:

1. Два процесса разделяющих данные не могут одновременно находиться в критических областях.

2. Текст прогарммы должен исключить предположение о скорости вычисления системы либо количестве процессов.

3. Прочесс не должен блокировать другие процессы, если он не находится в критической области.

4. Процесс не должен вечно ждать попадания в критическую секцию.

Методы синхронизации разделены на 2 направления:

1. Синхронизация с активным ожиданием.

2. Синхронизация с блокировкой процессов (пассивным ожиданием)

Методы активной синхронизации:

1. Зпрет на прерывание состоит в запрете приреваний при входе в критическую секцию и разделении при выходе из нее.

Достоинства: самое простое решение, запрет прирывания исключает доступ к процессору любому процессу.

Недостаток: нарушается 4-ре условия синхронизации. При этом никакой другой процесс его из ожидания не выведет, это приводит к краху системы.

Указанное решение применяется в ядре ОС для обеспечения наивысшего приоритета при работе с переменными. Для пользовательских программ указанный метод не приемлем. Этот метод применяется при программировании контроллеров.

2. Использование переменных блокировки – простейшее програмное решение задач синхронизации состоящее в использовании разделяемой переменной блокировки, как правило логической (0 или 1). Когда процесс должен войти в критическую секцию он изменяет значение переменной блокировки (из 0 в 1) и пока значение переменной блокировки равно 1 другой процесс не может войти в критическую секцию. По выходу из критической секции возвращает.

Достоиства: простота решения.

Недостатки: не соблюдаются условия 1 и 3 т.к. не блокируются другие процессы не находящиеся в критической секции. В следствии этогог снижается вероятность но не исключается возможность двух процессов в критической секции.

В некоторой литературе переменные блокировки называются симафорами. В противовес симафоры деструкторы которые по сути являются счетчиками процесса в очереди.

3. Метод строгого чередования.

while(TRUE)

{

while(turn!=0);

critical_selection();

turn=1;

noncritical_selection();

}

while(TRUE)

{

while(turn!=1);

critical_selection();

turn=0;

noncritical_selection();

}

turn – распределяемая переменная блокировки.

Алгоритм, когда несколько синхронизирующих процессов получают право на доступ в критическую секцию внеочереди называется алгоритмом строгого чередования.

Достоинства: процессы гарантированно будут выполнены.

Недостатки: если один процесс значительно медленнее другого, работа всего множества процессов замедляется, что может привести к нарунению условий 3 и 4.

4. Алгоритм Деккера.

Деккером был продложен метод взаимного исключения без строгого чередования, что позволяло процессам не задерживать друг друга. В настоящее время метод не используется из-за сложности, вместо его использется метод Петерсона.

5. Алгоритм Петерсона предложен в 1981 г.

#define №2

int turn;

bool interested[N];

void enter_region(int process)

{

int other; //номер другого процесса.

other=1-process;

interessted[process]=true;

turn=process;

while(turn==process && interessted[other]==true); //ожидание перед входом в критическую секцию.

}

//вызывается перед выходом из критической секции

void leave_region(int process)

{

interessted[process]=false;

}

Пусть дано 2 процесса совмесно использующих область, enter_region – перед входом.

Использование команды tsl – это асемблерная программа внедренная в многопроцессорные системы поддерживается на аппаратном уровне, расшифровывается как «проверить и заблокировать», работает следущимобразом: в регистр процессора считывается содержимое ячейки памяти и затем в эту ячейку устанавливается единица.

Команда tsl неделима, во время ее выполнения процессором системная шина блокируется.

enter_region:

tsl register, block; - блокирует ячейку памяти и записует в регистр;

cmp register, #0 – команда сравнить;

jne enter_region; - переход по несовпадению;

leav_region:

move lock, #0;

ret – ретурн;

Преймущества: использования команды tsl перед методом использования переменной блокировки в том что при использовании tsl модификация блокировки не делима что исключает состязание между процессами.

Недостатки: не все вычисительные программы поддерживают метод tsl;

Все алгоритмы синхронизации с активным ожиданием не ражионально расходуют процессорное время, а кроме того имеют проблему приоритотов, которая состоит в том что процесс с более высоким приоритетом при постоянных попытках войти в критическую сесию во время запросов заберет вс время процесса на себя и не позволит процессу м низким приоритетом выполнить критическую секцию и выйтииз нее в результате чего сам никогда не вейдет в критическую сессию.