2.Способы обеспечения атомарности операций

Программный способ – процессы своими средствами обеспечивают взаимоисключение.

Алгоритм Деккера для двух процессов: используются признаки запроса процессов на вход в критический участок и дескриптор процесса, имеющего приоритет при конкуренции. Этот приоритет поочередно отдаётся каждому из процессов. Процессы сами временно снимают свой запрос при обнаружении конкуренции и отсутствии у себя приоритета.

Недостатки рассмотренного способа: сильное сцепление между потоками (все должны знать про всех), загрузка процессора (постоянный опрос).

Аппаратный способ – взаимоисключение обеспечивается с использованием аппаратной части ВС. Машинная инструкция testandset(a,b) { a=b; b=1 }. Недостаток – постоянный опрос не устранен.

Использование «арбитра». Процессы подают заявки арбитру на использование ресурса, а он рассматривает их и выдает «лицензию».

В качестве арбитра может быть использовано ядро ОС. В однопроцессорной системе исполнение ядром операций entercritical и leavecritical гарантирует их атомарность. В многопроцессорной системе атомарность гарантируется за счёт дополнительного использования аппаратного способа.

3.Обеспечение взаимоисключения потоков через мьютексы.

При использовании ОС в качестве арбитра взаимоисключение может быть обеспечено с помощью мьютексов.

Мьютекс позволяет войти в критическую секцию ресурса одновременно не более чем одному потоку.

Операции над мьютексом: инициализация, блокировка (ожидание выдачи «лицензии»), разблокировка (возврат «лицензии»).

Если ресурс – это комната, то мьютекс – это дверь, которая автоматически блокируется при нахождении кого-либо в комнате. Постучавшиеся в дверь должны дождаться разблокирования двери (освобождения комнаты).

Для удобной и надёжной работы с мьютексами полезно определить класс-обёртку Mutex.

Пример решения задачи учёта поступления средств в банк с использованием мьютекса.

4.Решение задачи «синхронизация по готовности данных»

Синхронизация потоков по действиям и данным может быть выполнена с помощью семафоров.

Семафор S – защищённая переменная, значение которой можно опрашивать и менять только специальными операциями P и V, а также операцией инициализации. Множество значений семафора: неотрицательные целые числа.

Операция инициализации: определяет начальное значение семафора.

Операция P(S): значение семафора уменьшается на 1, если оно положительно или поток блокируется, если значение семафора нулевое.

Операция V(S): пробуждение одного из потоков, ожидающих на семафоре, или увеличение значения на 1, если таковых нет.

При входе в критическую секцию поток должен выполнять операцию P(S), а при выходе – V(S).

Расширение операции P (неблокирующий вариант) – P'(S) : при нулевом значении семафора немедленно возвращается признак отказа в доступе.

Для удобной и надёжной работы с семафорами полезно определить wrapper-класс (класс-обёртку) Semaphor.

36. Мониторы Хоара. Пример проектирования монитора «склад» для задачи «производитель-потребитель».

Явное использование мьютексов и семафоров.

Мьютексы и семафоры решают задачи взаимоисключения и синхронизации.

Они представляют средства низкого уровня (аналог языка Ассемблера для программирования) – требуют тщательного анализа и подвержены ошибочному использованию.

Типичный случай №1: использование ресурса без выполнения входа в критическую секцию, что приводит к нарушению состояния ресурса.

Типичный случай №2: не выполнение выхода из критической секции, что влечёт невозможность использования ресурса кем-либо ещё.

Типичный случай №3: использование средств синхронизации не по назначению, что разрушает взаимодействие потоков с непредсказуемыми последствиями.

Типичный случай №4: вложенное использование, которое приводит поток к тупику, поскольку он пытается получить доступ к занятому ресурсу, а освободить его может только он сам.

Понятие монитора

В рассмотренной ранее схеме каждый поток отвечает за решение двух задач: функциональной и обеспечения синхронизации с другими потоками. Отсюда проблема. Её решение – избавление от одной из ответственностей. Поток не должен непосредственно обеспечивать синхронизацию. Проблема устраняется при переходе к высокоуровневым средствам обеспечения взаимоисключения.

Как правило в задаче известен допустимый набор операций над разделяемым ресурсом.

Осуществляется инкапсуляция набора операций в специальный класс – монитор.

Переменные состояния монитора определяют ресурс.

Доступ через методы класса к операциям над ресурсом, но не к самому ресурсу.

Преимущества: непосредственное использование ресурса сосредоточено в одном месте. Легче контролировать, обеспечить надёжное манипулирование ресурсом.

Пример использования монитора.

Постановка задачи «производитель-потребитель» со складом вместимости N: Созданная производителем продукция поступает на склад. Склад может хранить N экземпляров продукта. При достижении количества N склад затоварен и не может принимать новые поступления. Со склада продукцию извлекает один или несколько потребителей. Они запрашивают по одному экземпляру. Если продукции нет, то ждут ее поступления.

Операции: «добавить экземпляр на склад», «взять экземпляр из склада», «очистить склад от продукции».

Для представления склада удобно использовать контейнер «список».

Вместимость склада зададим константой.

Для определения возможности помещения экземпляра продукции на склад

используем семафор «количество свободных мест» freeCount.

Для определения наличия продукции на складе используем семафор «количество экземпляров» productsCount.

Пример использования: производитель создает продукцию с периодом P1, потребитель извлекает продукцию с периодом P2.

Для обеспечения исключительного доступа к складу используем мьютекс