Методы синхронизации процессов

Реализация мониторов с помощью семафоров

Используем семафоры mutex – для взаимного исключения процессов, next – для реализации очереди входа в монитор; переменную next-count – счетчик процессов в очереди на вход:

semaphore mutex = 1;

semaphore next = 0;

int next-count = 0;

Каждую внешнюю процедуру монитора F реализуем следующим кодом:

wait (mutex);

. . . 

тело F;

. . . 

if (next-count > 0) {

	signal next;

} else { 

	signal mutex;

}

Таким образом, будет обеспечено взаимное исключение внутри монитора.

Каждую условную переменную x реализуем следующим образом:

semaphore x-sem = 0;

int x-count = 0;

Реализация операции x.wait():

x-count++;

if (next-count > 0) {

	signal (next);

} else {

	signal (mutex);

}

wait(x-sem);

x-count--;

Реализация операции x.signal():

if (x-count > 0) {

	next-count++;

	signal (x-sem);

	wait (next);

	next-count--;

}

Таким образом, обеспечивается, что процесс, освобожденный из очереди к условной переменной, помещается во входную очередь монитора.

Дополнительная операция над монитором, обеспечивающая организацию очереди к условной переменной по приоритетам, - x.wait(с),где c – целочисленный параметр, играющий роль приоритета. При выполнении операции signal первым будет освобожден из очереди процесс с меньшим значением приоритета.

При реализации монитора необходимо проверять следующие условия:

• процессы должны выполнять вызовы операций монитора в правильной последовательности, своевременно вызывая все семафорные операции;
• никакой процесс не пытается обратиться к общим данным непосредственно, минуя протокол взаимодействия с монитором.

Синхронизация в ОС Solaris

Система Solaris предоставляет разнообразные виды блокировщиков для поддержки многозадачности, многопоточности (включая потоки реального времени) и мультипроцессирования. Используются адаптивные мюьтексы (adaptive mutexes) – эффективное средство синхронизации доступа к данным при их обработке короткими сегментами кода. Для более длинных сегментов кода используются условные переменные и блокировщики читателей-писателей (reader-writer locks; rwlocks).Для синхронизации потоков используются "вертушки" (turnstiles) – синхронизирующие примитивы, которые позволяют использовать либо adaptive mutex, либо rwlock.

Синхронизация в Windows 2000

Для защиты доступа к данным на однопроцессорных системах используются маски прерываний. Для многопроцессорных систем используются spinlocks (" вертящиеся замки. В системе реализованы также объекты-диспетчеры, которые могут функционировать как мьютексы и как семафоры. Объекты-диспетчеры генерируют события, семантика которых аналогична семантике условной переменной.

Ключевые термины

Interleaving – одновременное выполнение нескольких машинных команд, работающих с общими данными.

Абстрактный тип данных (АТД) – определение типа данных как совокупности описания его конкретного представления и абстрактных операций над ним.

Адаптивный мюьтекс (adaptive mutex) – эффективное средство синхронизации доступа к данным при их обработке короткими сегментами кода в операционной системе Solaris.

Алгоритм булочной (bakery algorithm) – алгоритм синхронизации процессов (Л. Лампорт), основанный на присвоении каждому процессу уникального номера в очереди (приоритета).

Блокировщик читателей-писателей (reader-writer lock; rwlock) – средство синхронизации в ОС Solaris для поддержки схем синхронизации типа " читатели-писатели ".

"Вертушка" (turnstile) – синхронизирующий примитив в ОС Solaris, который позволяет использовать для синхронизации, при необходимости, либо адаптивный мьютекс, либо блокировщик читателей-писателей.

"Вертящийся замок" (spinlock) - средство синхронизации в ОС Windows 2000, используемое в многопроцессорных системах.

Взаимное исключение – режим совместного выполнения процессов, при котором, если некоторый процесс исполняет свою критическую секцию, то никакой другой процесс не должен в этот момент исполнять свою.

жуж - В системе "Эльбрус": "жужжать" на процессоре; Специализированная операция (для системных процессов) ожидания на закрытом семафоре без прерываний; занятие процессора, пока семафор не будет открыт операцией открыть(S).

Конкуренция за общие данные (race condition) - ситуация, при которой взаимодействующие процессы могут параллельно (одновременно) обращаться к общим данным без какой-либо синхронизации.

Критическая область (critical region) – высокоуровневая конструкция для синхронизации, основанная на описаниях разделяемых (shared) ресурсов и конструкции region, обеспечивающей взаимное исключение при работе с общим ресурсом.

Монитор – высокоуровневый механизм синхронизации: многовходовый модуль, который содержит описания общих данных и операций над этими данными в виде процедур; пользователи монитора – параллельные процессы – имеют доступ к общим данным только через его операции; в каждый момент не более чем один процесс может выполнять операцию монитора; остальные желающие процессы должны ждать, пока первый процесс закончит выполнять мониторную операцию.

Обедающие философы (dining philosophers) – классическая задача синхронизации следующего содержания: имеется круглый стол, за которым пять философов. Перед каждым из них тарелка с едой, слева и справа – две китайские палочки. Философ может находиться в трех состояниях: проголодаться, думать и обедать. На голодный желудок философ думать не может. Начать обедать философ может, только если обе палочки слева и справа от него свободны.

Общий семафор (counting semaphore) - целая переменная S, над которой определены две атомарных семафорных операции wait (S) и signal (S).

Объект-диспетчер (dispatcher object) – средство синхронизации в ОС Windows 2000, которое может функционировать как мьютекс и как семафор; генерирует события, семантика которых аналогична семантике условной переменной.

Ограниченный буфер (bounded buffer):схема взаимодействия процессов, при которой имеются процесс-производитель и процесс-потребитель, взаимодействующие с помощью циклического буфера ограниченной длины; производитель генерирует элементы информации и записывает в буфер; потребитель использует информационные элементы из буфера и удаляет их.

Семафорный бит – В вычислительных комплексах Burroughs 5000 и "Эльбрус": особый бит слова, над которым выполняется команда семафорного считывания; по определенному значению бита (например, 1) происходит прерывание.

Синхронизация процессов по критическим секциям - обеспечение режима параллельного выполнения процессов, при котором, если один процесс вошел в свою критическую секцию, то до ее завершения никакой другой процесс не сможет одновременно войти в свою критическую секцию.

Условная переменная (condition variable) – часть конструкции монитор:Переменная с описанием вида condition x, доступ к которой возможен только операциями wait и signal ; операция x.wait() задерживает выполнивший ее процесс до момента, пока другой процесс не выполнит операцию x.signal().

Читатели-писатели: схема взаимодействия процессов, при которой имеется общий ресурс и две группы процессов: читатели (которые могут только читать ресурс, но не изменяют его) и писатели (которые изменяют ресурс). В каждый момент работать с ресурсом может сразу несколько читателей (когда ресурс не изменяется писателями), но не более одного писателя.