2014-02-02
2690
Концепция семафоров
Семафор представляет собой целую переменную, принимающую неотрицательные значения, доступ любого процесса к которой, за исключением момента ее инициализации, может осуществляться только через две атомарные операции: P и V. Классическое определение этих операций выглядит следующим образом:
| P(S): | пока S == 0 процесс блокируется; S = S – 1; |
| V(S): | S = S + 1; |
Эта запись означает следующее: при выполнении операции P над семафором S сначала проверяется его значение. Если оно больше 0, то из S вычитается1. Если оно меньше или равно0, то процесс блокируется до тех пор, пока S не станет больше 0, после чего из S вычитается 1. При выполнении операции V над семафором S к его значению просто прибавляется 1.
Подобные переменные-семафоры могут быть с успехом применены для решения различных задач организации взаимодействия процессов. В ряде языков программирования они были непосредственно введены в синтаксис языка (например, в ALGOL-68), в других случаях применяются через использование системных вызовов. Соответствующая целая переменная располагается внутри адресного пространства ядра операционной системы. Операционная система обеспечивает атомарность операций P и V, используя, например, метод запрета прерываний на время выполнения соответствующих системных вызовов. Если при выполнении операции P заблокированными оказались несколько процессов, то порядок их разблокирования может быть произвольным, например, FIFO.
|
|
|
Одной из типовых задач, требующих организации взаимодействия процессов, является задача производитель-потребитель (producer-consumer). Пусть два процесса обмениваются информацией через буфер ограниченного размера. Производитель закладывает информацию в буфер, а потребитель извлекает ее оттуда. На этом уровне деятельность потребителя и производителя можно описать следующим образом.
| Producer: | while(1) { produce_item; put_item; } |
| Consumer: | while(1) { get_item; consume_item; } |
Если буфер забит, то производитель должен ждать, пока в нем появится место, чтобы положить туда новую порцию информации. Если буфер пуст, то потребитель должен дожидаться нового сообщения. Эти условия реализуются с помощью семафоров следующим образом. Возьмем три семафора empty, full и mutex. Семафор full будем использовать для гарантии того, что потребитель будет ждать, пока в буфере появится информация. Семафор empty будем использовать для организации ожидания производителя при заполненном буфере, а семафор mutex - для организации взаимоисключения на критических участках, которыми являются действия put_item и get_item (операции положить информацию и взять информацию не могут пересекаться, так как тогда возникнет опасность искажения информации). Тогда решение задачи выглядит так:
|
|
|
Semaphore mutex = 1;
Semaphore empty = N, где N – емкость буфера;
Semaphore full = 0;
Producer:
while(1)
{
produce_item;
P(empty);
P(mutex);
put_item;
V(mutex);
V(full);
}
Consumer:
while(1)
{
P(full);
P(mutex);
put_item;
V(mutex);
V(empty);
consume_item;
}
Это корректное решение поставленной задачи. Семафоры использовались здесь для достижения двух целей: организации взаимоисключения на критическом участке и синхронизации скорости работы процессов.
