Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Проблема взаимного исключения процессов

Серьезная проблема возникает в ситуации, когда два (или более) процесса одновременно пытаются работать с общими для них данными, причем хотя бы один процесс изменяет значение этих данных.

Проблему часто поясняют на таком, немного условном, примере. Пусть имеется система резервирования авиабилетов, в которой одновременно работают два процесса. Процесс A обеспечивает продажу билетов, процесс B – возврат билетов. Не углубляясь в детали, будем считать, что оба процесса работают с переменной N – числом оставшихся билетов, причем соответствующие фрагменты программ на псевдокоде выглядят примерно так:

Представим себе теперь, что при квазипараллельной реализации процессов в ходе выполнения этих трех операторов происходит переключение процессов. В результате, в зависимости от непредсказуемых случайностей, порядок выполнения операторов может оказаться различным, например:

1) R1:= N; R2:= N; R2:= R2 + 1; N:= R2; R1:= R1 - 1; N:= R1;

2) R2:= N; R2:= R2 + 1; R1:= N; R1:= R1 - 1; N:= R1; N:= R2;

3) R1:= N; R1:= R1 - 1; N:= R1; R2:= N; R2:= R2 + 1; N:= R2;

Ну и что? А то, что в случае 1 значение N в результате окажется уменьшенным на 1, в случае 2 – увеличенным на 1, и только в случае 3 значение N, как и положено, не изменится.

Можно привести менее экзотические примеры.

Если два процесса одновременно пытаются отредактировать одну и ту же запись базы данных, то в результате разные поля одной записи могут оказаться несогласованными.

Если один процесс добавляет сообщение в очередь, а другой в это время пытается взять сообщение из очереди для обработки, то он может прочесть не полностью сформированное сообщение.

Если два процесса одновременно пытаются обратиться к диску, каждый со своим запросом, то что именно каждый из них в результате прочтет или запишет на диск – сказать трудно.

Ситуация понятна: нельзя разрешать двум процессам одновременно обращаться к одним и тем же данным, если при этом происходит изменение этих данных.

То, что мы рассматривали квазипараллельную реализацию процессов, не столь существенно. Для процессов, работающих на разных процессорах, но одновременно обращающихся к одним и тем же данным, ситуация примерно та же.

1. Что такое критическая секция процесса?

Для более четкого описания ситуации было введено понятие критической секции.

Критической секцией процесса по отношению к некоторому ресурсу называется такой участок программы процесса, при прохождении которого необходимо, чтобы никакой другой процесс не находился в своей критической секции по отношению к тому же ресурсу.

1. Что такое двоичный семафор и чем он отличается от двоичной переменной?

Совершенно иным образом подошел к проблеме взаимного исключения великий голландский ученый Э.Дейкстра (E.Dijkstra, 1966). Он предложил использовать новый вид программных объектов – семафоры. Здесь мы рассмотрим их простейший вариант – двоичные семафоры, они же мьютексы (mutex, от слов MUTual EXclusion – взаимное исключение).

Двоичным семафором называется переменная S, которая может принимать значения 0 и 1 и для которой определены только две операции.

Чем переменная-семафор отличается от обычной булевой переменной? Тем, что для нее недопустимы никакие иные операции, кроме P и V. Нельзя написать в программе S:=1 или if(S)then..., если S определена как семафор.

1. В чем смысл семафорных примитивов P(S) и V(S)?

Двоичным семафором называется переменная S, которая может принимать значения 0 и 1 и для которой определены только две операции.

· P(S) – операция занятия (закрытия) семафора. Она ожидает, пока значение S не станет равным 1, и, как только это случится, присваивает S значение 0 и завершает свое выполнение. Очень важно: операция P по определению неделима, т.е. между проверкой и присваиванием не может вклиниться другой процесс, который бы изменил значение S.

· V(S) – операция освобождения (открытия) семафора. Она просто присваивает S значение 0.

1. Что такое целочисленный семафор?

В упомянутой работе Дейкстры, помимо двоичных семафоров, принимающих значения 0 и 1, был рассмотрен также более общий тип семафоров со значениями на интервале от 0 до некоторого N. Функция P(S) уменьшает положительное значение семафора на 1, а при нулевом значении переходит в ожидание, как и в случае двоичного семафора. Функция V(S) увеличивает значение семафора на 1, но не более N.

Область применения целочисленных семафоров несколько иная, чем у двоичных. Целочисленные семафоры применяются в задачах выделения ресурсов из ограниченного запаса. Величина N характеризует общее количество имеющихся единиц ресурса, а текущее значение переменной – количество свободных единиц. При запросе ресурса процесс вызывает функцию V(S), при освобождении – P(S).

Для целочисленных семафоров иногда удобно использовать модифицированную функцию V(S, k), вторым параметром которой является число одновременно запрашиваемых единиц ресурса. Такая функция блокирует процесс, если значение семафора меньше