Синхронизация процессов посредством операции «проверка и установка»

Операция «ПРОВЕРКА И УСТАНОВКА» является, как и блокировка памяти, одним из аппаратных средств решения задачи критического интервала. Данная операция реализована на многих компьютерах. Так, в знаменитой IBM 360 (370) эта команда называлась TS (test and set). Команда TS является двухадресной (двухоперандной). Ее действие заключается в том, что процессор присваивает значение второго операнда первому, после чего второму операнду присваивается значение, равное единице. Команда TS является неделимой операцией, то есть между ее началом и концом не могут выполняться никакие другие команды. Чтобы использовать команду TS для решения проблемы критического интерва­ла, свяжем с ней переменную common, которая будет общей для всех процессов, использующих некоторый критический ресурс. Данная переменная будет при­нимать единичное значение, если какой-либо из взаимодействующих процессов находится в своем критическом интервале. С каждым процессом связана своя локальная переменная, которая принимает значение, равное единице, если дан­ный процесс хочет войти в свой критический интервал. Операция TS будет при­сваивать значение common локальной переменной и устанавливать common в единицу. Программа решения проблемы критического интервала на примере двух парал­лельных процессов приведена в листинге 6.5.

Листинг 6.5. Взаимное исключение с помощью операции «ПРОВЕРКА И УСТАНОВКА»

var common, locall. local2 : integer: begin

common:-0; parbegin

ПР1: while true do begin

local!:-!:

while local!-! do TSdocall, common); CS1; { Критический интервал процеса ПР1 ) common:-0:

PR1; { ПР1 после критического интервала } end and

ПР2: while true do begin

Iocal2:-l;

while loca!2-l do TS(local2, common); CS2; { Критический интервал процеса ПР2 ) common:-0:

PR2; { ПР2 после критического интервала } end

parend end.

Предположим, что первым захочет войти в свой критический интервал процесс ПР1. В этом случае значение local 1 сначала установится в единицу, а после цик­ла проверки с помощью команды TSCIocall, common) — в ноль. При этом значение common станет равным единице. Процесс ПР1 войдет в свой критический интервал. После выполнения этого критического интервала common примет значение, равное нулю, что даст возможность второму процессу ПР2 войти в свой критический интервал.

Безусловно, мы предполагаем, что в компьютере предусмотрена блокировка па­мяти, то есть операция common:=0 неделима. Команда «ПРОВЕРКА И УСТАНОВ­КА» значительно упрощает решение проблемы критических интервалов. Глав­ное свойство этой команды — ее неделимость.

Основной недостаток использования операций типа «ПРОВЕРКА И УСТАНОВ­КА» состоит в следующем: находясь в цикле проверки переменной common, про­цессы впустую потребляют время центрального процессора и другие ресурсы. Действительно, если предположить, что произошло прерывание процесса ПР1 во время выполнения своего критического интервала в соответствии с некото­рой дисциплиной обслуживания и начал выполняться процесс ПР2, то он войдет в цикл проверки, впустую тратя процессорное время. В этом случае до тех пор, пока диспетчер супервизора не поставит на выполнение процесс ПР1 и не даст ему закончиться, процесс ПР2 не сможет войти в свой критический интервал.

В микропроцессорах i80386 и старше, с которыми мы теперь сталкиваемся по­стоянно, есть специальные команды: ВТС, BTS, ВТК, которые как раз и являют­ся вариантами реализации команды типа «ПРОВЕРКА И УСТАНОВКА». Рас­смотрим одну из них — BTS.

Команда BTS (bit test and reset — проверка бита и установка) является двухад­ресной [48]. По этой команде процессор сохраняет значение бита из первого опе­ранда со смещением, указанным вторым операндом, во флаге CF¹ регистра фла­гов, а затем устанавливает указанный бит в 1. Значение индекса выбираемого бита может быть представлено постоянным непосредственным значением в ко­манде BTS или значением в общем регистре. В этой команде используется толь­ко 8-битное непосредственное значение. Значение этого операнда берется по мо­дулю 32, таким образом, смещение битов находится в диапазоне от 0 до 31. Это позволяет выбирать любой бит внутри регистра. Для битовых строк в памяти это поле непосредственного значения дает только смещение внутри слова или двойного слова.

С учетом изложенного можно привести фрагмент текста, в котором используется данная команда для решения проблемы взаимного исключения (листинг 6.6).

Однако здесь следует заметить, что некоторые ассемблеры поддерживают значе­ния битовых смещений больше 31, используя поле непосредственного значения в комбинации с полем смещения операнда в памяти. В этом случае ассемблером младшие 3 или 5 битов (3 — для 16-битных операндов, 5 — для 32-битных опе­рандов) смещения бита (второй операнд команды) сохраняются в поле непо-