Краткие итоги

Синхронизация процессов – актуальная задача, исследование которой началось с работ Э. Дейкстры в 1960-х гг. Совместный доступ процессов к общим данным (race condition) может привести к нарушению их целостности, поэтому необходима их синхронизация.

При решении задачи ограниченного буфера, переменная counter (счетчик числа элементов в буфере) играет роль общего ресурса для производителя и потребителя, по которому необходима их синхронизация. Если ее не использовать, переменная может принять некорректное значение из-за совместного исполнения операций над ней в двух процессах (interleaving). Операции над ней должны быть атомарны, и должно быть обеспечено их взаимное исключение.

В общем случае, если имеется n процессов, у каждого из них есть своя критическая секция – фрагмент кода, работающий с общим ресурсом, и необходимо обеспечить взаимное исключение исполнения критических секций. Для решения проблемы критических секций необходимо выполнение трех условий: взаимное исключение, прогресс (выбор системой за конечное время одного из процессов для исполнения критической секции), ограниченное ожидание (ограничение на время ожидания от момента заявки процесса на исполнение критической секции до момента ее удовлетворения).

Рассмотрены три алгоритма решения проблемы критических секций. Первый использует переменную для номера текущего процесса, исполняющего критическую секцию (не удовлетворяет условию прогресс). Второй хранит информацию о процессах-претендентах на исполнение критических секций, но не хранит информацию о номере текущего процесса (также не удовлетворяет условию прогресс). Третий использует комбинацию этих подходов и решает проблему, однако он оказывается достаточно сложным для понимания и реализации.

Алгоритм булочной – еще один подход к решению проблемы критических секций. Использует присвоение уникального номера в очереди (приоритета) каждому процессу.

Алгоритмы синхронизации более просты, если они используют аппаратную поддержку атомарных операций – проверка и установка (test-and-set) и перестановка значений двух переменных (swap). Приведена реализация синхронизации процессов с использованием обеих операций.

Общий семафор (по Э. Дейкстре) – синхронизирующий примитив: целая переменная, над которой определены семафорные операции wait и signal. Приведено решение проблемы критических секций с помощью семафоров. Семафор реализуется в виде структуры из двух полей: счетчик и ссылка на список ждущих процессов. Для реализации операций над семафором достаточно двух примитивов: block – блокировка текущего процесса, wakeup(P) – разблокировка процесса P.

Семафоры могут использоваться как общее средство синхронизации по ресурсам и по событиям.

Используются две разновидности семафоров – общие (с целым значением) и двоичные (значениями могут быть только 0 и 1). Общий семафор может быть реализован с помощью двоичных семафоров.

В системе "Эльбрус" имеется вариант операции ожидания жуж (жужжать на процессоре) для системных процессов – без прерывания, с удержанием процессора до момента разблокировки.

Имеются при классических задачи (схемы) синхронизации процессов – ограниченный буфер, читатели-писатели и обедающие философы. Рассмотрены решения этих задач с использованием семафоров.

Критические области – высокоуровневая конструкция для синхронизации, основанная на описаниях разделяемых ресурсов (shared) и конструкции region, обеспечивающей взаимное исключение критических секций более удобным и надежным способом, чем семафоры. Рассмотрено решение задачи "ограниченный буфер" с помощью критических областей. Рассмотрена схема реализации критических областей с использованием семафоров.

Монитор (по Ч. Хоару) – высокоуровневая конструкция для синхронизации: многовходовый модуль, содержащий описание общих данных и операций над ними в виде процедур. Обеспечивается взаимное исключение исполнения мониторных операций. Монитор может также содержать условные переменные, для которых определены операции wait и signal для организации дополнительных очередей процессов. Рассмотрено решение задачи "обедающие философы" с использованием монитора. Описана реализация монитора и условных переменных с помощью семафоров.

В системе Solaris для синхронизации используются адаптивные мьютексы, блокировщики читателей-писателей, условные переменные и "вертушки" (turnstiles), позволяющие сочетать применение адаптивных мьютексов и блокировщиков читателей-писателей.

В системе Windows 2000 для синхронизации используются вертящиеся замки (spinlocks) и объекты-диспетчеры, генерирующие события (аналогичные условным переменным).