1.2 Синхронизация

Определим понятие процесса как задания, выполняемого в операционной системе. Поскольку задания в многопользовательской системе должны выполняться независимо и могут выполняться параллельно, то и представляющие их процессы должны быть независимыми и параллельно выполняемыми.

Процессам для работы часто требуются различные устройства и вспомогательные программы, которые можно назвать соответственно аппаратными и программными ресурсами. Если мы хотим эффективно использовать эти ресурсы, то те и другие должны совместно использоваться несколькими процессами. Такие совместно используемые ресурсы называются разделяемыми ресурсами.

Если по условиям работы требуется, чтобы разделяемые ресурсы одномоментно были доступны только одному процессу, то такие ресурсы называются критическими.

Под независимостью процессов понимается, что кроме (достаточно редких) моментов явной связи, процессы рассматриваются как совершенно независимые друг от друга. Но на самом деле они не являются вполне независимыми, так как они могут использовать в процессе своего выполнения одни и те же ресурсы. Процесс упорядочения общения между конкурирующими процессами называется синхронизацией. Синхронизация задается с помощью синхронизирующих правил. Реализация таких правил осуществляется с помощью средств синхронизации.

Элементарные приемы синхронизации, такие как использование общих переменных, имеют ряд недостатков, которые иногда приводят к невозможности получения правильных решений. Поэтому возникла необходимость в создании специальных синхронизирующих примитивов.

Такие примитивы под названием P и V операции были предложены Дейкстрой в 1968 году. Эти операции могут выполняться только над специальными переменными, называемыми семафорами или семафорными переменными. Семафоры являются целыми величинами и первоначально были определены как принимающие только неотрицательные значения. Кроме того, если их использовать для решения задач взаимного исключения, то область их значений может быть ограничена лишь “0” или “1”. Однако в дальнейшем была показана важная область применения семафоров, принимающих любые целые положительные значения. Такие семафоры получили название “общих семафоров” в отличие от “двоичных семафоров”, используемых в задачах взаимного исключения. P и V операции являются единственными операциями, выполняемыми над семафорами. Иногда они называются семафорными операциями.

Дадим определение P и V операций в том виде, в котором они были предложены Дейкстрой.

• V - операция (V(S)): операция с одним аргументом, который должен быть семафором. Эта операция увеличивает значение аргумента на 1.

• P - операция (P(S)):операция с одним аргументом, который должен быть семафором. Ее назначение - уменьшить величину аргумента на 1, если только результирующее значение не становится отрицательным.

Завершение P-операции, то есть решение о том, что настоящий момент является подходящим для выполнения уменьшения и последующее собственно уменьшение значения аргумента, должно рассматриваться как неделимая операция.

Эти определения справедливы как для общих, так для двоичных семафоров.

Семафор Дейкстры представляет собой целочисленную переменную, с которой ассоциирована очередь ожидающих нитей. Пытаясь пройти через семафор, нить пытается вычесть из значения переменной 1. Если значение переменной больше или равно 1, нить проходит сквозь семафор успешно (семафор открыт). Если переменная равна нулю (семафор закрыт), нить останавливается и ставится в очередь.

Закрытие семафора соответствует захвату объекта или ресурса, доступ к которому контролируется этим семафором. Если объект захвачен, остальные нити вынуждены ждать его освобождения. Закончив работу с объектом (выйдя из критической секции), нить увеличивает значение семафора на единицу, открывая его. При этом первая из стоявших в очереди нитей активизируется и вычитает из значения семафора единицу, снова закрывая семафор. Если же очередь была пуста, то ничего не происходит, просто семафор остается открытым. Тогда первая нить, подошедшая к семафору, успешно пройдёт через него. Это действительно похоже на работу железнодорожного семафора, контролирующего движение поездов по одноколейной ветке.

Наиболее простым случаем семафора является двоичный семафор. Начальное значение флаговой переменной такого семафора равно 1, и вообще она может принимать только значения 1 и 0. Двоичный семафор соответствует случаю, когда с разделяемым ресурсом в каждый момент времени может работать только одна нить.

Семафоры общего вида могут принимать любые неотрицательные значения. В современной литературе такие семафоры называют семафорами-счетчиками (counting semaphore). Это соответствует случаю, когда несколько нитей могут работать с объектом одновременно, или когда объект состоит из нескольких независимых, но равноценных частей — например, несколько одинаковых принтеров. При работе с такими семафорами часто разрешают процессам вычитать и добавлять к флаговой переменной значения, большие единицы. Это соответствует захвату/освобождению нескольких частей ресурса.

Многие системы предоставляют также сервисы, позволяющие просмотреть состояние семафора без его изменения и произвести "неблокируюшуюся" форму захвата, которая возвращает ошибку в ситуации, когда нормальный захват семафора привел бы к блокировке. Теоретики не очень любят такие примитивы, но при разработке сложных сценариев взаимодействия с участием многих семафоров они бывают полезны.

Во многих современных книгах и операционных системах семафорами называются только семафоры общего вида, двоичные же семафоры носят более краткое и выразительное имя мьютекс (mutex — от MUTnal EXclusion, взаимное исключение). Проследить генезис этого названия никому не удавалось, но можно с уверенностью сказать, что оно вошло в широкое употребление не ранее конца 80-х. Так, в разрабатывавшейся в середине 80-х годов OS/2 1.0, двоичные семафоры еще называются семафорами, а в Win32, разработка которой происходила в начале 90-х, уже появляется название mutex. Операции над мьютексом называются захватом (acquire) (соответствует входу в критическую секцию) и освобождением (release) (соответствует выходу из нее).

Многие ОС предоставляют для синхронизации семафоры Дейкстры или похожие на них механизмы.