17Переменные блокировки
Теперь попробуем найти программное решение. Рассмотрим одну совместно используемую переменную блокировки, изначально равную 0. Если процесс хочет попасть в критический участок, он предварительно считывает значение переменной блокировки. Если переменная равна 0, то процесс изменяет ее на 1 и входит в критический участок. Если же переменная равна 1, то процесс ждет, пока ее значение сменится на 0.
18Операция проверки и установки
Многие компьютеры имеют аппаратные операции, которые позволяют проверять и устанавливать содержимое слова (операция Test and Set Lock). Логику работы этой операции можно описать следующим образом:
function Test_and_Set(var target:Boolean):Boolean;
begin
Test_and_Set := target;
target := true;
end;
Главная отличительная особенность этой команды ее выполнение не может быть прервано. Если предпринимается попытка одновременного выполнения двух таких команды (на разных процессорах), то они будут выполнены последовательно, в порядке, определяемом аппаратурой. Такой прием называется блокировкой памяти.
Если
наша компьютерная система поддерживает
такую команду, то мы можем организовать
взаимное исключение, объявив переменную
lock
с начальным значением false.
Пусть у нас имеется n
процессов. Тогда структура процесса
может быть следующей:
repeat
. . .
while Test_and_Set(lock) do
no-op;
критический участок
lock := false;
. . .
until false;
Этот алгоритм, однако, не удовлетворяет условию ограниченного ожидания.
Рассмотрим
теперь алгоритм для синхронизации n
процессов
,
удовлетворяющий этому требованию.
Процессы должны использовать следующие
структуры данных:
var waiting: array[0..n-1] of Boolean;
lock: Boolean;
Все они проинициализированы значением false.
Тогда структура процесса будет следующей:
var j: 0..n-1;
key: Boolean;
. . .
repeat
waiting[i] := true;
key := true;
while waiting[i] and key do
key := Test_and_Set(lock);
waiting[i] := false;
критический участок
j := (j + 1) mod n;
while (j <> i) and not waiting[j] do
j := (j + 1) mod n;
if i = j then
lock := false;
else
waiting[i] := false;
. . .
until false;
Процесс может войти в критический участок, если значение waiting[i] или key ложно. Переменная key получит значение false только если операция Test_and_Set выполнена. Процесс, первым выполнивший эту операцию, найдет это значение, равным false и войдет в критический участок, остальные процессы должны ждать. Переменная waiting[i] получит значение false только, когда другой процесс выйдет из критического участка, и только это обеспечивает требование взаимного исключения. Ограниченное ожидание обеспечивается за счет циклического просмотра, а освобождение критического участка – установкой значения переменной lock в false.
Семафоры
Традиционное решение того, как обеспечить взаимно исключающий доступ к общим ресурсам, состоит в использовании семафоров. Впервые семафоры были предложены Эдсгеном Дейкстрой для операционной системы THE.
Семафор – это переменная целого типа, которая, кроме начальной инициализации допускает только две простых операции: wait и signal.
Классическое определение этих операций:
wait(s): while s <= 0 do no-op;
s := S – 1;
Signal(s): s := S + 1;
Модификации значения семафора этими операциями выполняются неделимо. Пока один процесс модифицирует семафор, ни один другой процесс не имеет доступа к этому семафору. Кроме того, в случае wait(s) проверка значения семафора и его модификация также должны выполняться неделимо.
Такие семафоры называют счетными или считающими.