Архитектура механизмов синхронизации

Теоретически возможно построение механизмов синхронизации для работы на ЭВМ, не имеющих соответствующих аппаратных средств. На практике механизмы синхронизации используют аппаратные средства:

• Прерывания.

• Однотактные машинные инструкции – команды, выполняемые за 1 такт (чтобы за 1 такт значение проверялось и изменялось).

Синхронизация с помощью прерываний

Занять и освободить ресурс:

• Запретить все прерывания.

• Занять ресурс.

• Использовать ресурс.

• Освободить ресурс.

• Разрешить прерывания.

Процесс является монопольным владельцем ЦП (тем самым обеспечивается исключение всех остальных процессов).

Данный метод имеет недостатки:

1. решение других задач, кроме взаимоисключающих на основа прерываний затруднено;

2. при запрещающих прерываниях остальные процессы, в том числе и те, что не претендуют на критичный ресурс, будут простаивать.

Синхронизация при помощи переменной состояния

Ресурсу ставится в соответствие переменная состояния, отражающая своим значением факт занятости ресурса и доступное всем процессам. Но в этом случае такая переменная становится критическим ресурсом. Поэтому, прежде чем захватить ресурс, процесс должен захватить переменную состояния. В отношении переменной состояния должна быть решена задача взаимоисключения. Для ее решения можно использовать прерывания (маскирование):

1. запретить прерывания, тем самым захватив переменную состояния;

2. занять ресурс, изменив переменную состояния;

3. освободить переменную состояния, разрешив прерывания;

4. использовать ресурс;

5. занять переменную состояния, запретив прерывания;

6. освободить ресурс, изменив переменную состояния;

7. освободить переменную состояния, разрешив прерывания.

В данном случае длительность монопольного использования ЦП значительно сокращается, что повышает суммарную производительность системы.

В случае если на шаге 2 процесс обнаружит, что ресурс уже занят, он должен, разрешив прерывания, перейти в режим ожидания:

• Активное ожидание – процесс сам периодически проверяет состояние ресурса.

• Пассивное ожидание – процесс становится в очередь.

Использование простого средства синхронизации для создания более сложного является широко распространенным приемом.

Семафоры

Семафор – переменная специального типа, доступная параллельным процессам для проведения над ней только двух типов операций: закрытие (P), открытие (V) – это примитивы работы с семафорами.

Семафорный механизм работает по рассмотренной ранее двухэтапной схеме, используя режим пассивного ожидания. Поэтому в его состав входят средства формирования и работы с очередью ожидающих процессов. Существует несколько разновидностей семафорных механизмов.

Отличия отдельных семафорных механизмов:

• Диапазон изменения значений.

• Логика действия над семафорами.

• Количество семафоров, доступных для обработки.

Независимо от вида семафора действует следующее допущение: примитивы, исполняемые над конкретным семафором в параллельных процессах, являются отдельными неделимыми операциями, взаимоисключающими друг друга (то есть, по сути, являются атомарными).