3.7.5. Семафоры

Одним из первых механизмов, предложенных для синхронизации поведения процессов, стали семафоры, концепцию которых описал Дейкстра еще в 1965 году.

Механизм взаимоисключения может быть реализован с помощью семафоров: двоичных и считающих.

С семафором связаны инициализация и две операции:

P(s) - закрытие,

V(s) - открытие.

Двоичный семафор имеет два состояния - 0 и 1. Закрытый семафор находится в состоянии 0, открытый - в состоянии 1.

При инициализации семафора определяется его начальное состояние:

ИнициализацияСемафора(s, 1);

или

ИнициализацияСемафора(s, 0);

Операция P(s):

if s = 1

then s := 0 { закрыть семафор }

else блокировать обратившийся процесс по s;

установить на выполнение готовый процесс;

Операция V(s):

if список процессов, ожидающих s, не пуст

then деблокировать процесс, ожидающий S

else s := 1; { открыть семафор }

Критический участок окаймляется операциями P(s) и V(s). Таким образом, двоичный семафор обеспечивает логику работы с событием (Event).

Считающие семафоры полезны при выделении одиночного ресурса из общего пула.

При инициализации в s заносят количественный показатель объема ресурсов пула. P(s) вызывает уменьшение счетчика ресурса на единицу, а V(s) - увеличение счетчика на единицу, т.е.

операция P(s):

if s > 0

then s := s - 1

else ожидать на s;

операция V(s):

if список процессов, ожидающих s не пуст

then разрешить одному процессу работать

else s := s + 1;

Считающие семафоры реализованы в программном интерфейсе Windows. Их использование аналогично использованию событий и критических секций, т.е. семафор может быть в отмеченном или неотмеченном состоянии.

3.7.6. Тупики

Говорят, что в мультипрограммной системе процесс находится в состоянии тупика, если он ожидает события, которое никогда не произойдет. "Зависание" системы – это ситуация, когда один или более процессов оказываются в состоянии тупика..

Пример. В операционных системах тупики в большинстве случаев возникают в результате обычной конкуренции за обладание выделяемыми или закрепляемыми ресурсами (т.е. ресурсами, которые в каждый момент времени отводятся только одному пользователю и которые поэтому иногда называются ресурсами последовательного использования).

Пусть Процесс1 удерживает Ресурс1 и ожидает освобождения Ресурса2. Процесс2 удерживает Ресурс2 и ожидает освобождения Ресурса1. Каждый процесс ждет, чтобы другой процесс освободил нужный ему ресурс, причем каждый не освобождает свой ресурс до тех пор, пока другой не освободит свой ресурс и т.д. Такое состояние кругового ожидания характерно для систем в тупиковом состоянии (рис. 12).

Рис. 12. Пример тупиковой ситуации

Можно сформулировать четыре необходимых условия тупика.

Условие взаимоисключения: процессы требуют предоставления им права монопольного управления ресурсами, которые им выделяются.

Условие ожидания ресурсов: процессы удерживают ресурсы, уже выделенные им, ожидая выделения дополнительных ресурсов.

Условие неперераспределяемости: ресурсы нельзя отобрать у процессов, удерживающих их, пока эти ресурсы не будут использованы для завершения работы.

Условие кругового ожидания: существует кольцевая цепь процессов, удерживающих ресурсы, требующиеся следующему процессу цепи.

В исследованиях по проблеме тупиков можно выделить следующие основные направления:

– предотвращение тупиков;

– обход тупиков;

– обнаружение тупиков;

– восстановление после тупиков.

Предотвращение тупиков. При предотвращении тупиков целью является обеспечение условий, исключающих возможность возникновения тупиковых ситуаций. Такой подход является вполне корректным решением в том, что касается самого тупика, однако он часто приводит к нерациональному использованию ресурсов. Установлено, что тупик будет невозможен, при нарушении хотя бы одного из указанных выше необходимых условий.

Предлагается стратегия, включающая три принципа:

– каждый процесс должен запрашивать все требуемые ресурсы сразу и не начинаться, пока они не будут выделены;

– если процесс требует дополнительных ресурсов и получает отказ, он должен освободить все ресурсы и запросить потом всю совокупность ресурсов;

– введение линейной упорядоченности по типам ресурсов.

Все элементы этой стратегии имеют свои недостатки.

Обход тупиков. Используются алгоритмы, позволяющие обойти опасные участки при распределении ресурсов (алгоритмы Деккера, Питерсона, Дейкстры).

Обнаружение тупика – это установление факта, что возникла тупиковая ситуация, и определение процессов и ресурсов, вовлеченных в тупиковую ситуацию.

Алгоритмы обнаружения тупиков, как правило, применяются в системах, где выполняются первые три необходимые условия возникновения тупиковой ситуации. Эти алгоритмы затем определяют, не создался ли режим кругового ожидания. Таким образом, обнаружение тупика сводится к проверке наличия циклических запросов на ресурсы. Можно включать в ОС алгоритмы обнаружения, а можно положиться на оператора компьютера.

Восстановление после тупика – систему, оказавшуюся в тупике, необходимо вывести из него, нарушив одно или несколько условий его существования. Обычно это выполняется путем принудительного вывода некоторого процесса из системы, чтобы можно было использовать его ресурсы.

Самый целесообразный способ – это эффективный механизм приостановки/возобновления процесса.

Другой способ – создание контрольных точек (дампов памяти) и перезапуск.