Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет
Кафедра: АСОИУ
Лабораторная работа №5
по курсу
«Операционные среды АСОИУ»
Исследование методов синхронизации процессов
Преподаватель:
Широков Владимир Владимирович
Выполнили:
Студенты гр.9331
Захаров Илья
Мазманов Денис
Степуленок Денис
Студентка гр.9332
Воронкина Ирина
Санкт-Петербург 2003
Цель работы- знакомство с методами синхронизации процессов на основе семафоров.
Общие сведения
Синхронизацией называется обеспечение заданной очередности прохождения процессов через определенные состояния.
Наиболее часто синхронизация требуется для координации доступа нескольких процессов к одному разделяемому ресурсу.
Рассмотрим простейший пример. Предположим, что два процесса выводят информацию в виде символа в разные точки экрана.
Фрагмент текста процедур, соответствующих процессам, выглядит следующим образом:
Процесс 1 (1) GoTo(X,Y); (2) Write(Ch); |
Процесс 2 (3) GoTo(X,Y); (4) Write(Ch); |
При выполнении процессов в режиме разделения времени возможна ситуация, когда оператором GoTo(X,Y) курсор устанавливается в нужную точку экрана одним процессом, затем диспетчер передает управление другому процессу, который в это время выполняет операцию вывода символа. То есть очередность выполнения действий такова: 1, 3, 2, 4 или 3, 1, 4, 2. Очевидно, что в этом случае один из процессов выведет информацию не в то место экрана, куда планировал.
Суть исправления ошибки состоит в обеспечении неделимости выполнения последовательности действий GoTo(X,Y) и Write(Ch).
В более общем смысле ситуация представляется следующим образом. Экран в данном случае выступает в роли разделяемого ресурса, который совместно и одновременно используют два процесса. Ошибка возникает при отсутствии регламентации доступа к разделяемому ресурсу, которая заключается в том, что если один процесс работает с общим ресурсом, то другой не должен в это же время работать с ним.
Используемый совместно несколькими процессами ресурс называется критическим, участок программы процесса, реализующий работу с критическим ресурсом, называется критическим участком, а режим, при котором только один процесс в произвольный момент времени может работать с критическим ресурсом (или находиться в критическом участке), называется режимом взаимного исключения.
В системах реального времени пренебрежение регламентацией доступа нескольких процессов к критическому ресурсу может приводить к катастрофическим последствиям.
Методы обеспечения режима взаимного исключения
Можно выделить три принципиальных пути обеспечения режима взаимного исключения.
1) Запрет прерываний на входе в критический участок и разрешение прерываний на выходе из него.
В этом случае фрагмент программы работы с критическим участком выглядит следующим образом:
Запрет прерываний:
Критический участок;
Разрешение прерываний.
Первым и единственным в свой критический участок войдет тот процесс, который первым доберется до инструкции CLI в функции "Запрет прерываний". Прерывания будут запрещены, диспетчер прекратит работу и все другие процессы естественным образом будут приостановлены. После выхода из критического участка прерывания будут разрешены и какой-то другой процесс сможет войти в свой критический участок.
Такой способ организации взаимного исключения обладает существенными недостатками:
- при запрете прерываний система становится слепой и глухой к внешним воздействиям окружающей среды, которые формируются, как правило, через систему прерываний;
- приостанавливаются даже те процессы, которые вообще не работают с данным ресурсом.
Поэтому данный способ организации взаимного исключения применяется в тех случаях, когда критический участок очень короткий, например, несколько инструкций.
2) Активное ожидание.
В этом случае вводится некоторый флаг занятости ресурса, который проверяется процессом перед тем, как войти в критический участок. Если флаг, который вначале устанавливается в состояние СВОБОДЕН, находится в состоянии СВОБОДЕН, то процесс переводит его в состояние ЗАНЯТ и входит в критический участок. При выходе из него процесс устанавливает флаг в состояние СВОБОДЕН. Если при подходе к критическому участку флаг оказывается в состоянии ЗАНЯТ, то процесс начинает проверять состояние флага в цикле до тех пор, пока флаг не будет установлен в состояние СВОБОДЕН другим процессом.
Фрагменты процедуры, описывающие процесс на этапах входа в критический участок и выхода из него, выглядят следующим образом:
Инициализация: FLAG := СВОБОДЕН; ... While FLAG = ЗАНЯТ Do Begin End {While}; FLAG := ЗАНЯТ; Критический участок; FLAG := СВОБОДЕН; В данном случае сам флаг является критическим ресурсом и доступ к нему должен производиться в режиме взаимного исключения.
Фрагмент входа в критический участок с проверкой и установкой флага в режиме взаимного исключения выглядит следующим образом (состоянию ЗАНЯТ соответствует FLAG = 1):
LBL : STI CLI CMP FLAG, 1 JZ LBL MOV FLAG, 1 STI Если чтение и установку флага выполнять за одну инструкцию, которая является неделимым действием, то вход в критический участок можно выполнить более элегантно, а именно:
MOV AX, 1 LBL : XCHG AX, FLAG CMP AX, 1 JZ LBL Недостатком приведенного метода реализации взаимного исключения является активное ожидание, т. е. процесс, который ждет освобождения ресурса, занимает процессор в отводимые ему диспетчером кванты времени, хотя и не выполняет никаких полезных действий.
Поэтому в случае ожидания освобождения ресурса целесообразно извлечь процесс из очереди готовых процессов и не предоставлять ему бесполезно используемых квантов времени. На этом положении основано использование семафоров как средств взаимного исключения при доступе к критическому ресурсу.
3) Семафоры.
Семафор представляет собой объект, включающий счетчик и очередь. В очередь помещаются процессы, ждущие наступления некоторого события, например освобождения ресурса. Условия помещения процесса в очередь и извлечения из нее с целью активизации определяются состоянием счетчика и проверяются двумя операциями над семафором, которые называются P- и V- операциями.
Принципы работы с семафором можно описать следующим образом. В исходном состоянии семафор открыт. Процесс проходит через открытый семафор в критический участок и закрывает за собой семафор. Другой процесс, подходя к критическому участку, натыкается на закрытый семафор и вынужден ждать его открытия в очереди семафора. Процесс, выходя из критического участка, открывает семафор и активизирует первый в очереди семафора процесс, который теперь может войти в критический участок и также закрыть за собой семафор.
Состояние счетчика семафора играет роль индикатора занятости ресурса. Принято инициализировать счетчик в 1, декрементировать его при подходе к критическому участку (Р - операция) и инкрементировать при выходе из критического участка (V - операция). Таким образом, равенство нулю счетчика свидетельствует о возможности входа в критический участок, а отрицательное значение счетчика свидетельствует о наличии процесса в критическом участке и необходимости блокировки, т. е. о переводе в очередь семафора с передачей управления другим процессам.