ОС5

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
Процесс 2
(1) GoTo(X,Y);
(3) GoTo(X,Y);
(2) Write(Ch);
(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.
2
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
JZ
MOV
STI
FLAG, 1
LBL
FLAG, 1
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
LBL : XCHG
CMP
JZ
AX, 1
AX, FLAG
AX, 1
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
3
необходимости блокировки, т. е. о переводе в очередь семафора с передачей управления другим
процессам.
Технология реализации семафора
Технология реализации семафора представлена в виде описания семафора как объекта языка
программирования.
Type
PSemaphore = ^TSemaphore;
TSemaphore = Object
Счетчик
: Целое;
Очередь_семафора : Очередь процессов;
Constructor Init(С : Целое);
Destructor Done;
Virtual;
Procedure
P;
Procedure
V;
End {TSemaphore}.
Constructor TSemaphore.Init(Целое);
Begin
Счетчик := С;
Создать Очередь_семафора;
End {TSemaphore.Init};
Destructor TSemaphore.Done;
Begin
Разрушить Очередь_семафора;
End {TSemaphore.Done};
Procedure TSemaphore.P;
Var Предыдущий : Процесс;
Begin
Запретить_прерывания;
Счетчик := Счетчик - 1;
If Счетчик < 0 Then Begin {блокировать процесс}
Предыдущий := Текущий;
Очередь_семафора.Включить(Предыдущий);
Текущий := Очерередь_готовых.Первый;
Очередь_готовых.Извлечь(Текущий);
Передать_управление(Предыдущий, Текущий);
End {If};
Разрешить_прерывания;
End {TSemaphore.P};
Procedure TSemaphore.V;
Var Предыдущий : Процесс;
Begin
Запретить_прерывания;
Счетчик := Счетчик + 1;
If Счетчик <= 0 Then Begin {активизировать процесс}
Предыдущий := Текущий;
Очередь_готовых.Включить(Предыдущий);
Текущий := Очередь_семафора.Первый;
Очередь_семафора.Извлечь(Текущий);
Передать_управление(Предыдущий, Текущий);
End {If};
Разрешить_прерывания;
End {TSemaphore.V}.
Здесь процесс, вызвавший метод TSemaphore.V, переводится в очередь готовых и активизирует
процесс, стоящий первым в очереди семафора.
4
Технология использования семафоров
В первую очередь семафоры используются как средства взаимного исключения при доступе к
критическому ресурсу. Правило использования семафора в этом случае представлено в виде фрагмента
процедуры, описывающей процесс при входе в критический участок и выходе из него.
Раздел описания:
Var Semaphore : TSemaphore;
Раздел инициализации:
Semaphore.Init(1);
Процесс при работе с критическим участком:
Semaphore.P;
Критический участок;
Semaphore.V;
Завершение работы с семафором:
Semaphore.Done;
Семафоры могут быть использованы не только для координации доступа к критическому
ресурсу нескольких процессов, но и для установления требуемой очередности прохождения
процессами определенных состояний. Пусть, например, необходимо, чтобы процесс Р1 прошел через
состояние, отмеченное меткой М_Р1, например чтение из ячейки памяти П, только после того, как
процесс Р2 пройдет через состояние, отмеченное меткой М_Р2, например запись в ячейку памяти П,
т.е. запись должна произойти раньше чтения.
С помощью семафора данная задача решается следующим образом:
Инициализация семафора:
Процесс Р1
Semaphore.P;
М_Р1 : Чтение из П;
Semaphore.Init(0);
Процесс Р2
М_Р2 : Запись в П;
Semaphore.V;
Если процесс Р1 подойдет к метке М_Р1 раньше, чем процесс Р2 - к метке М_Р2, то он будет
вынужден блокироваться в очереди семафора. Процесс Р2, выполнив запись в ячейку П, вызовет
Semaphore.V и тем самым активизирует процесс Р1, позволив ему выполнить чтение только после того
как осуществлена запись.
Часто процессы реализуются в виде бесконечных циклов, поэтому, чтобы избежать нескольких
записей в ячейку П одним процессом до момента чтения из нее другим процессом, необходимо
последующие записи осуществлять только после очередного чтения. Указанная схема реализуется
следующим образом:
Инициализация семафора: Semaphore1.Init(0);
Инициализация семафора: Semaphore2.Init(0);
Процесс Р1
While True Do Begin
. . .
Semaphore1.P;
М_Р1 : Чтение из П;
Semaphore2.V;
. . .
End {While};
Процесс Р2
While True Do Begin
. . .
М_Р2 : Запись в П;
Semaphore1.V;
Semaphore2.P;
. . .
End {While}.
Теперь процесс Р2, выполнив запись и сигнализировав об этом вызовом Semaphore1.V, ожидает,
приостановленный вызовом Semaphore2.P, чтения процессом Р1, о чем Р1 будет сигнализировать
вызовом Semaphore2.V. В этой схеме методы семафора Semaphore2 служат для ожидания и посылки
квитанции, подтверждающей чтение.
5
Содержание задания
1. Реализовать объект - семафор, используя средства, разработанные при выполнении
лабораторных работ 1 - 4.
2. Написать демонстрационную программу, иллюстрирующую координацию доступа к
критическому ресурсу с помощью реализованного семафора.
3. Написать демонстрационную программу, иллюстрирующую синхронизацию прохождения
процессов через определенные состояния с помощью реализованного объекта - семафор.
Отчет должен содержать текст библиотечного модуля, включающего описание и реализацию
объекта - семафор, тексты демонстрационных программ с комментариями, таблицы состояний
счетчиков семафоров при различных вариантах очередности прохождения процессов (для числа
процессов, большего чем 2) через вызовы P и V используемых семафоров.
6