4. Классические проблемы синхронизации

22Проблема ограниченного буфера

С этой задачей мы уже встречались, рассматривая схему «производитель-потребитель». Она обычно используется для иллюстрации возможностей примитивов синхронизации. Представим общую структуру этой схемы, не вдаваясь в детали реализации.

Считаем, что буфер имеет емкость n элементов. Семафор mutex используется для организации взаимно исключаемого доступа к буферу и инициализирован значением 1. Семафоры empty и full подсчитывают число пустых и заполненных элементов буфера, соответственно. Начальное значение empty равно n, а начальное значение full – 0.

Общая схема работы производителя и потребителя представлена ниже.

Производитель: repeat . . . produce an item ti nextp . . . wait(empty); wait(mutex); . . . add nextp to buffer . . . signal(mutex); signal(empty); . . . until false;

Потребитель repeat . . . wait(full) wait(mutex); . . . remove an item from buffer to nextc . . . signal(mutex); signal(full); . . . consume the item in nextc . . . until false;

Заметим очевидную симметрию решения.

23Проблема читателей и писателей

Данные (например, файлы или записи) могут разделяться между несколькими параллельными процессами. Некоторые из этих процессов могут только считывать содержимое данных, в то время как другие процессы могут их изменять. Подчеркнем различие между двумя этими типами процессов, назвав первые читателями, а вторые – писателями. Легко видеть, что два читателя могут иметь доступ к данным одновременно безо всякого ущерба. Однако писатель и любой другой процесс не должны иметь такой возможности, так как это может привести к хаосу. Чтобы избежать подобных трудностей, потребуем, чтобы писатель имел исключительный доступ к разделяемому объекту.

Задача синхронизации носит название задачи о читателях и писателях. Она имеет несколько вариантов. Простейший вариант, известный как первая задача о читателях и писателях, требует, чтобы ни один читатель не попадал в состояние ожидания, если другие читатели имеют доступ к объекту, из-за того, что писатель затребовал доступ к нему. Вторая задача о читателях и писателях требует, чтобы писатель, напротив, получил доступ к объекту как можно скорее. То есть, если писатель ждет, то ни один новый читатель не может начать чтение.

Заметим, что решение каждой из задач может привести к зависанию. В первом случае могут зависать писатели, а во втором читатели.

Рассмотрим решение первой задачи. В этом решении используются следующие структуры данных:

var mutex, wrt: semaphore;

readcount: integer;

Первоначально семафоры установлены в 1, а переменная readcount в 0. Семафор mutex используется для организации взаимного исключения на момент изменения переменной readcount. Переменная readcount обозначает число процессов, читающих объект в данный момент. Переменная wrt используется для взаимного исключения писателей.

Писатель: wait(wrt); . . . writing is performed . . . signal(wrt);

Читатель: wait(mutex); readcount := readcount + 1; if readcount = 1 then wait(wrt); signal(mutex); . . . reading is performed . . . wait(mutex); readcount := readcount - 1; if readcount = 0 then signal(wrt); signal(mutex);