3. Синхронізація за допомогою блокування пам’яті.

Механізм блокування пам’яті задовольняє одночасне використання двох і більше команд, які звертаються до однієї і тієї самої комірки пам’яті. Так як в цій комірці пам’яті може зберігатися значення певної розділеної змінної, то отримати доступ до неї може тільки один процес. Механізм блокування пам’яті забороняє одночасний доступ до змінної але не забороняє чергування доступу. Якщо критична секція процесу складається тільки з однієї команди звернення до пам’яті, то блокування пам’яті може забезпечити виконання задачі взаємного виключення. Якщо критична секція складається більш ніж з однієї секції, то задача забезпечення взаємного виключення стає більш складною.

Для забезпечення задачі взаємного виключення використовують дві змінні key 1 і key 2.

Приклад на мові Pascal

var key1, key2: boolean;

begin

key1:=false, key2:=false;

par begin

PR1: white true do

begin key1:=true

while key2 do begin … end {критична секція PR1}

key1:=false

end

and

PR2: white true do

begin key2:=true

while key1 do begin … end {критична секція PR2}

key2:=false

end

par end

При виконанні цього алгоритму можлива ситуація коли два процеси встановлять одночасно свої змінні key 1 і key 2 в true і ввійдуть у безкінечний цикл. Тому для вирішення цієї проблеми був запропонований алгоритм Деккера.

4. Алгоритм Деккера.

Алгоритм Деккера базується на використанні змінних key 1, key 2, queue. Змінні key 1, key 2 використовуються як в попередньому алгоритмі з пункту 3. Значення змінної queue визначає чия черга (процесу один чи процесу два) почати виконання критичної секції при умові, якщо два процеси бажають це зробити.

Детальніше про алгоритм Деккера – самостійно!

5. Команда “перевірка” та “встановлення”.

Операція “перевірка” та “встановлення” так само як механізм блокування пам’яті є одним із апаратних засобів керування процесом входження в критичний інтервал.

Розглянемо гіпотетичну команду TS (test and set), дія якого полягає в тому, що першій змінні key 1 присвоюється значення key 2 (з прикладу питання 3), після чого другій змінні key 2 присвоюється 1. Команда TS є неподільною командою, тобто між початком виконання цієї команди і її завершенням не можуть виконуватися ніякі інші команди. Введемо змінну common, яка буде загальною змінною для двох (всіх) процесів, які використовують деякі критичні ресурси. Common=1, якщо будь – який із взаємодіючих процесів знаходиться у своїй критичній секції. Також з кожним процесом зв’яжемо локальну змінну local 1, local 2. Вони будуть дорівнювати 1, якщо певний процес бажає ввійти у свою критичну секцію.

Приклад.

var local1, local2, common: integer

begin

common:=0

par begin

PR1:

begin local1:=1

while local1=1 do TS(local1, common)

CS1:

common:=0

end

and

PR2:

begin local2:=1

while local2=1 do TS(local2,common)

CS2:

common:=0

end

par end

6. Використання семафорів для синхронізації та впорядкування паралельних процесів.

Семафор – це змінна спеціального типу, яка доступна паралельним процесам для виконання двох операцій: зайнято (P - операція); відкрито (V – операція). Семафор відіграє роль допоміжного критичного ресурсу і операції V та P є нероздільними. Крім того P і V виключають одна іншу.

Семафори працюють таки чином, що спочатку аналізують стан критичного ресурсу, який ідентифікується станом семафору, потім здійснюється допуск до критичного ресурсу або відмова від нього. При відмові в доступі до критичного ресурсу використовується режим пасивного очікування. В цьому випадку процес знаходиться в заблокованому стані. Він не перевіряє семафор безперервно, як у стані активного очікування. В той час процес може виконувати необхідну дію. Допустимими значеннями семафору є тільки цілі числа. Семафори бувають двійкові (приймають значення 0, 1), або n – значення (в іншому випадку).

Приклад:

var S: semaphore

begin

init Sem(S, 1)

parbegin

PR1: while true do

begin

P(S)

CS1

V(S)

end

and

PR2: while true do

begin

P(S)

CS2

V(S)

end

parend

Семафор S має початкове значення 1. Якщо процеси PR1, PR2 будуть намагатися виконати операцію P(S), то це зробить успішно тільки один процес. Якщо це зробив процес PR2, тоді він закриває семафор S, після чого виконується його критичний інтервал. Процес PR1 в цій ситуації буде заблокований на семафорі S. Після виконання операції V(S) процесу PR2 семафор S відкривається, показуючи можливість використання одного сумісного ресурсу. Цією операцією процес PR1 буде переведений із заблокованого стану в стан готовності.

Вирішення задачі “виробник – споживач” за допомогою семафорів.

Для вирішення цієї задачі розподілювальними змінними є лічильники вільних та зайнятих буферів пам’яті, які повинні бути захищені зі сторони обох процесів. Тобто дії по відправленні і отриманні повідомлень повинні бути синхронізовані. Семафори S – free, S – fil – в даному випадку є числовими, семафор S – exp – двійковим.

Приклад.

var S-free, S-fil, S-exp: semaphore;

begin

InitSem (s-free, N);

InitSem (s-fil, 0);

InitSem (s-exp, 1);

parbegin

PROCEDURE: while true do

begin

{підготовка повідомлень}

P(S-free);

P(S-fil);

{послати повідомлення}

V(S-fil);

V(f-exp);

end;

and

CONSUMER: while true do

P(S-fil);

P(S-exp);

{отримати повідомлення}

V(S-free);

V(S-exp);

{обробка повідомлень}

parend

end

Семафори S – free, S – fil використовуються як лічильники вільних та зайнятих областей пам’яті (буферів) відповідно. Двійковий семафор S – exp призначений для гарантії того, що в кожен момент часу тільки один процес може працювати зі своїм критичним ресурсом в своїй критичній секції. В початковий момент часу ініціалізація семафорів лічильників відбувається таким чином, що кількість вільних буферів S – free – n, кількість зайнятих = 0.

Операція P(S – free) зменшує значення S - free на одиницю. Операція V(S – free) збільшує значення лічильника S - free на одиницю.

Перед відправою повідомлення процес виробник зменшує значення S – fil на одиницю, а після відправки повідомлення збільшує значення S – fil на одиницю. Так само перед отриманням повідомленням процес споживач зменшує значення S – fil на одиницю шляхом виконання операції P(S – fil), а після отримання повідомлення збільшує значення семафору S – free в результаті виконання операції V(S – free).

Вирішення задачі читачів – письменників за допомогою семафорів – самостійно!