Инструкция "обменять содержимое переменных"

В наборе инструкций процессоров семейства Intel x86 существует инструкция xchg (exchange), которая имеет следующую реализацию:

void xchg(register int r, int x) {

int temp; temp = r; r = x; x = temp; }

и выполняется непрерывным образом, т. е. выполнение этой инструкции не прерывается. Используя эту инструкцию, можно реализовать взаимоисключающий доступ параллельных потоков к критической секции по следующему алгоритму:

int lock =0; // переменная, которая запирает вход в критическую

// секцию

void thread()

{

while(true)

{

register int key; // ключ к замку

key = 1;

while(key == 1) // ждать, пока замок закрыт

xchg(key, lock);

critical section(); // критическая секция lock =0; // открыть замок

non_critical_section(); // остальной код

}

}

По аналогии с алгоритмом, использующим инструкцию tas, можно показать, что приведенный алгоритм также удовлетворяет двум первым требованиям, выдвигаемым к решению задачи взаимного исключения.

Для того чтобы терминологию, относящуюся к аппаратной синхронизации потоков, сделать независимой от типов команд, которые используются в процессорах для этих целей, ввели такое понятие, как спин блокировка (spinlock) или активное ожидание. Спин блокировкой называется цикл while с непрерываемой командой процессора, который ждет разрешения на вход в критическую секцию.

Во-первых, аппаратные алгоритмы синхронизации могут использоваться любым количеством параллельных потоков. Во-вторых, как программные, так аппаратные алгоритмы синхронизации имеют один существенный недостаток: впустую тратится процессорное время в циклах while, ждущих разрешения на вход в критическую секцию. Поэтому все эти алгоритмы получили общее на­звание алгоритмы, занимающиеся ожиданием (busy waiting algorithms), или алгоритмы активного ожидания.

Семафоры

Семафор или общий семафор (semaphore) - это целая переменная, значение которой можно опрашивать и менять только при помощи специальных неделимых (как команда testandset) операций P и V.

Двоичный семафор может принимать только значения 0 или 1.

Мьютекс (mutex, mutual exclusion semaphore) – семафор взаимного исключения. Основная задача – организация взаимного исключения для потоков из одного или разных процессов. Мьютекс является двоичным семафором.

P Proberen (гол) проверить (down)

V Verhogen (гол)увеличить (up)

Смысл примитива P(S) – проверка текущего значения семафора S, и если оно не меньше 0, то осуществляется переход к следующей за примитивом операции, в противном случае процесс снимается на некоторое время с выполнения и переводится в состояние пассивного ожидания.

Операция V(S) увеличивает значение семафора на единицу и переводит процесс в состояние готовности.

P(S): S:= S-1;

If S< 0 then {ожидание к S}

V(S): if S<0 then {один процесс в готовые}

S:=S+1;

Будем предполагать, что очередь процессов, ожидающих на семафоре, обслуживается в соответствии с дисциплиной FIFO.

Приведем пример алгоритма обеспечения взаимоисключения при помощи семафора. Инициализацию семафора будем производить с помощью операции, условно обозначенной Инициализация_S(S,1), которая устанавливает для семафора начальное значение 1 или Иницилизация_S(S,0),

• соответственно, 0.

var S : семафор;

procedure процесс_Х;

begin

while (true) do

begin

{Предшествующая критическому участку

часть процесса_Х}

P(S);{если в семафоре 1, то S:=S-1, иначе ожидать}

{Критический участок процесса_Х}

V(S);{если процесс ожидает на S, то разрешить работу, иначе S:=S+1}

{Остальная часть процесса_Х}

end

end;

procedure процесс_Y;

begin

while (true) do

begin

{Предшествующая критическому участку

часть процесса_Y}

P(S); {вход взаимоисключения, процесс ожидает выполнения операции V(S) процессом_Х }

{Критический участок процесса_Y}

V(S); {выход взаимоисключения}

{Остальная часть процесса_Y}

end

end;

begin

Инициализация_S(S,1);

Parbegin

процесс_Х;

процесс_Y;

Parend

end.