Понятие семафора и его использование для целей синхронизации.
Семафор – обобщение блокирующих переменных.
Это переменная, которая может принимать целые неотрицательные значения, предложена Дейкстра.
Если семафор может принимать значения только 0 и 1 – он превращается в блокирующую переменную.
Его удобно использовать для синхронизации набора идентичных ресурсов – например, отдельных буферов, с каждым из которых может работать отдельный поток. Они идеальны для решения задачи доступа к ресурсным пулам: информационным структурам, наборам одинаковых областей памяти, наборам внешних устройств.
Здесь у нас 2 семафора, один для количества пустых, второй – для количества занятых буферов.
Синхронизация и проблема тупиков.
При синхронизации процессов может возникнуть проблема взаимной блокировки (дедлок, клинч) или тупика.
Поток-писатель пытается записать данные в заполненный набор буферов – он считывает значение переменной и блокируется в ожидании освобождения хоть одного буфера.
Помочь ему может только поток-читатель, который освободит один буфер.
Но поток-читатель не может войти в критическую секцию, так как она занята потоком – писателем.
Также тупик может возникнуть, когда потоку нужны 2 и более последовательных ресурса, например, принтер и порт.
Поток А запрашивает сначала принтер, потом порт
Поток Б запрашивает сначала порт, затем принтер.
Если поток А получил принтер, был прерван, затем поток Б получил порт и был прерван, потоки не смогут разминуться, так как заняли нужные друг другу ресурсы.
То есть потоки могут образовать очереди к разделяемым ресурсам, но могут и взаимно заблокировать друг друга в зависимости от соотношения их скоростей.
Тупики можно пытаться предотвратить:
- при написании программ задавать одинаковую последовательность запрашивания нескольких ресурсов
- на уровне ОС при запуске задач анализировать возможность возникновения тупика и откладывать запуск опасной задачи.
- выделять ресурсы ОС в определенной, общей для всех потоков последовательности.
Кроме того ОС должна быть снабжена возможностью распознавания уже возникших тупиков (чтобы своевременно снять их)
- ведение и анализ таблиц распределения ресурсов и таблиц запросов к ресурсам
И наконец ОС нужны средства для снятия взаимных блокировок:
- можно снять часть потоков
- можно совершить откат до определенной контрольной точки.
Синхронизирующие объекты в операционных системах.
Рассмотренные выше средства синхронизации всем хороши, только не подходят для синхронизации работы разных потоков (не процессов).
Для этой цели применяются специальные синхронизирующие объекты:
- системные семафоры
- мьютексы
- события таймера и тд
Работа с синхронизирующими объектами похожа на работу с файлами: их можно открывать, закрывать, создавать, уничтожать.
Кроме спецобъектов, для синхронизации могут быть использованы обычные объекты ОС – файлы, процессы, потоки.
Объект синхронизации может находиться в двух состояниях:
Сигнальное
Несигнальное
Смысл слова «сигнальное» разный для разных объектов (для потока – завершение, для процесса – завершение всех потоков, для файла – завершение всякого ввода-вывода).
С помощью специального системного вызова потоки сообщают ОС, что они хотят синхронизировать свое состояние с определенным ОБЪЕКТОМ СИНХРОНИЗАЦИИ:
Wait(X), где Х – объект синхронизации. Поток, который сделал такой вызов переводится осью в ожидающее состояние, пока объект Х не перейдет в сигнальное состояние.
Чтобы перевести Объект синхронизации в сигнальное состояние, используется другой системный вызов: Set(X);
Поток может ждать сигнального состояния не одного объекта, а нескольких, причем либо всех из них, либо любого из них. Также можно задать Оси время, через которое она должна активизировать поток в любом случае, вне зависимости от состояния объекта синхронизации.
Примеры:
Основной поток создает множество серверных потоков и должен дождаться их завершения – надо сделать wait(x1, x2 и тд).
Один поток активизируется после завершения другого: надо каждый раз делать wait(предыдущий поток);
Такие неспецифические объекты синхронизации при переходе в сигнальное состояние активизируют ВСЕ ожидающие потоки, что может быть нужно не всегда.
Иногда надо другое поведение: тогда используются специальные объекты синхронизации: события, мютексы, системные семафоры.
Мютекс и семафор используются для управления доступом к данным.
Мютекс освобождает из очереди только ОДИН поток. Когда поток начинает работу он как бы захватывает мютекс, а по завершении работы – отдает мютекс.
Объект-событие используется для оповещения других потоков о том, что какие-то действия завершены (например, потоки ждут, пока один поток читает данные в буфер памяти.) В начале работы поток-читатель устанавливает объект-событие в несигнальное состояние. Все ждущие потоки поставили wait(поток-событие). После завершения работы поток-читатель переводит объект-событие в сигнальное состояние, и ОС освобождает все ждущие именно этих данных потоки.
Подсистема управления памятью. Функции ОС по управлению памятью. Методы распределения памяти (фиксированные разделы, динамические разделы, сегментная, страничная, сегментно-страничная структуризация адресного пространства, свопинг, виртуальная память). Организация виртуальной памяти, преобразование адреса. Обмен данными между процессами на основе виртуальной памяти.
Функции ОС по управлению памятью в мультипрограммной среде:
Отслеживание свободной и занятой памяти
Выделение памяти процессам и освобождение по их завершении
Вытеснение кодов и данных с памяти на диск (полное или частичное) когда памяти не хватает и возвращение их обратно, когда ее достаточно
Настройка адресов программы на конкретную область физической памяти.
Динамическое распределение памяти между процессами (выполнение запросов приложений на выделение им дополнительной памяти)
Дефрагментация памяти
Защита памяти