36252

Аппаратная реализация взаимоисключения: команда test and set. Семафоры. Обеспечение взаимоисключения при помощи семафоров

Доклад

Информатика, кибернетика и программирование

Главным фактором, обеспечивающим успех в этом случае, является наличие одной аппаратной команды, которая осуществляет чтение переменной, запись ее значения в область сохранения и установку нужного конкретного значения этой переменной

Русский

2014-09-23

50 KB

12 чел.

4

PAGE  4

38.Аппаратная реализация взаимоисключения: команда test&set. Семафоры.
    Обеспечение взаимоисключения при помощи семафоров.

Аппаратная реализация взаимоисключения

Алгоритм Деккера — это программное решение проблемы взаимоисключения. В данном разделе мы приводим аппаратное решение данной проблемы.

Главным фактором, обеспечивающим успех в этом случае, является наличие одной аппаратной команды, которая осуществляет чтение переменной, запись ее значения в область сохранения и установку нужного конкретного значения этой переменной. Подобная команда, обычно называемая testandset (проверить-и-установить), после запуска выполняет все эти действия до конца без прерывания. Неделимая команда

testandset (а, b)

читает значение логической переменной b, копирует его в а, а затем устанавливает для b значение «истина» — и все это в рамках одной непрерываемой операции. Пример использования команды проверки и установки для реализации взаимоисключения приведен на рис. 1.

program npимeptestandset var активный: логический;

procedure процессодин;

   var первомувходитьнельзя: логический;

begin

while истина do

begin

первомувходитьнельзя : = истина;

while первомувходитьнельзя do

testandset (первомувходитьнельзя, активный);

                     критическийучастокодин;

активный : = ложь;

прочиеоператорыодин

end

end;

procedure процессдва;

   var второмувходитьнельзя: логический;

begin

while истина do

begin

второмувходитьнельзя : = истина;

while второмувходитьнельзя do

testandset (второмувходитьнельзя, активный);

критическийучастокдва;

активный : = ложь;

прочиеоператорыдва

            end

end;

begin

активный : = ложь;

parbegin

процессодин;

          процессдва parend

end;

Рис. 1. Реализация взаимоисключения при помощи команды testandsef

           (ПРОВЕРИТЬ И УСТАНОВИТЬ).

Переменная «активный» логического типа имеет значение «истина», когда любой из процессов находится в своем критическом участке, и значение «ложь» в противном случае. «Процессодин» принимает решение о входе в критический участок в зависимости от значения своей локальной логической переменной «первомувходитьнельзя». Он устанавливает для переменной «первомувходитьнельзя» значение «истина», а затем многократно выполняет команду проверки и установки для глобальной логической переменной «активный». Если «процессдва» находится вне критического участка, переменная «активный» будет иметь значение «ложь». Команда проверки и установки запишет это значение в «первомувходитьнельзя» и установит] значение «истина» для переменной «активный». При проверке в цикле while будет получен результат «ложь», и «процессодин» войдет в свой критический участок. Поскольку для переменной «активный» установлено значение «истина», «процессдва» в свой критический участок войти не может.

Предположим теперь, что «процессдва» уже находится в своем критическом участке, когда «процессодин» хочет войти в критический участок. «Процессодин» устанавливает значение «истина» для переменной «первомувходитьнельзя», а затем многократно проверяет значение переменной «активный» по команде testandset. Поскольку «процессдва» находится в своем критическом участке, это значение остается истинным. Каждая команда проверки и установки обнаруживает, что «активный» имеет значение «истина», и устанавливает это значение для переменных «первомувходитьнельзя» и «активный». Таким образом, «процессодин» продолжает находиться в цикле активного ожидания, пока «процессдва» в конце концов не выйдет из своего критического участка и не установит значение «ложь» для переменной «активный». В этот момент команда проверки и установки, обнаружив это значение переменной «активный» (и установив для нее истинное значение, чтобы «процессдва» не мог больше войти в свой критический участок), установит значение «ложь» для переменной «первомувходитьнельзя», что позволит, чтобы «процессодин» вошел в свой критический участок.

Этот способ реализации взаимоисключения не исключает бесконечного откладывания, однако здесь вероятность такой ситуации весьма мала, особенно если в системе имеется несколько процессоров. Когда процесс, выходя из своего критического участка, устанавливает значение «ложь» переменной «активный», команда проверки и установки testandset другого процесса, вероятнее всего, сможет «перехватить» переменную «активный» (установив для нее значение «истина») до того, как первый процесс успеет пройти цикл, чтобы снова установить значение «истина» для этой переменной.

Семафоры

Все описанные выше ключевые понятия, относящиеся к взаимоисключению, Дейкстра суммировал в своей концепции семафоров. Семафор — это защищенная переменная, значение которой можно опрашивать и менять только при помощи специальных операций Р и V и операции инициализации, которую мы будем называть «инициализациясемафора». Двоичные семафоры могут принимать только значения 0 и 1. Считающие семафоры (семафоры со счетчиками) могут принимать неотрицательные целые значения.

Операция Р над семафором записывается как P(S) и выполняется следующим образом:

если S > О

то S: =S— 1

иначе (ожидать на S)

Операция V над семафором S записывается как V(S) и выполняется следующим образом: если (один или более процессов ожидают на S)

       то (разрешить одному из этих процессов продолжить работу)

        иначе S : = S + 1

  Будем предполагать, что очередь процессов, ожидающих на обслуживается в соответствии с дисциплиной «первый пришедший обслуживается первым» (FIFO).

Подобно операции проверки и установки testandset, операции Р и V являются неделимыми. Участки взаимоисключения по семафору S в процессах обрамляются операциями P(S) и V(S). Если одновременно несколько процессов попытаются выполнить операцию P(S), это будет разрешено только одному из них, а остальным придется ждать.

Семафоры и операции над ними могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Как правило, они реализуются в ядре операционной системы, где осуществляется управление сменой состояния процессов.

На рис. 2 приводится пример того, каким образом можно обеспечить взаимоисключение при помощи семафоров. Здесь примитив Р (активный) — эквивалент для «входвзаимоисключения», а примитив V (активный) — для «выходвзаимоисключения».

           

program примерсемафораодин;

    var активный: семафор;

procedure процессодин;

begin

while истина do begin

предшествующиеоператорыодин;

           Р(активный);

           критическийучастокодин;

           V(активный);

прочиеоператорыодин;

           end

end;

procedure процессдва;

begin

while истина do begin

предшествующиеоператорыдва Р(активный);

           критическийучастокдва;

           V(активный);

           прочиеоператорыдва

           еnd

end;

begin

инициализациясемафора(активный,1);

parbegin

процессодин;

           процессдва parend

end;

Рис. 2. Обеспечение взаимоисключения при помощи семафора и примитивов Р и V.

Синхронизация процессов при помощи семафоров

Когда процесс выдает запрос ввода-вывода, он блокирует себя в ожидании завершения соответствующей операции ввода-вывода. Заблокированный процесс должен быть активизирован каким-либо другим процессом. Подобное взаимодействие может служить примером функций, относящихся к протоколу блокирования/возобновления.

Рассмотрим более общий случай, когда одному процессу необходимо, например, чтобы он получал уведомление о наступлении некоторого события. Предположим, что какой-либо другой процесс может обнаружить, что данное событие произошло. Программа рис. 3 показывает, каким образом при помощи семафора можно реализовать простой механизм синхронизации (блокирования/возобновления) для двух процессов.

program блокированиевозобновления;

     var событие: семафор;

procedure процессодин;

begin

предшествующиеоператорыодин;

Р(событие);

прочиеоператорыодин

end;

procedure процессдва;

begin

предшествующиеоператорыдва;

V(событие);

прочиеоператорыдва

end;

begin

инициализациясемафора(событие,0);

parbegin

процессодин;

процессдва parend

end;

Рис. 3. Синхронизация блокирования/возобновление процессов при помощи семафоров.

Здесь «процессодин» выполняет некоторые «предшествующие операторыодин», а затем операцию Р (событие). Ранее при инициализации семафор был установлен в нуль, так что «процессодин» будет ждать. Со временем «процессдва» выполнит операцию V (событие), сигнализируя о том, что данное событие произошло. Тем самым «процессодин» получает возможность продолжить свое выполнение.

Отметим, что подобный механизм будет выполнять свои функции даже в том случае, если «процессдва» обнаружит наступление события и просигнализирует об этом еще до того, как «процессодин» выполнит операцию Р (событие); при этом семафор переключится из 0 в 1, так что операция Р (событие) просто произведет обратное Переключение, из 1 в 0, и «процессодин» продолжит свое выполнение без ожидания.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80150. СУЩНОСТЬ И ЗНАЧЕНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО КРЕДИТА 131 KB
  Функционирование системы государственного кредита ведет к образованию государственного долга. Под управлением государственным кредитом в узком смысле понимается совокупность действий связанных с подготовкой к выпуску и размещению долговых обязательств государства регулированию рынка государственных ценных бумаг обслуживанию и погашению государственного долга представлению кредитов и гарантий. Рефинансирование государственного долга погашение старой государственной задолженности путем выпуска новых займов; 3. Аннулирование...
80154. СТАДИЯ ИСПОЛНЕНИЯ БЮДЖЕТА 33 KB
  Исполнение бюджета обеспечивает в установленном порядке Министерство финансов РФ вся система органов управления финансами РФ. В процессе исполнения бюджета органы исполнительной и представительной власти осуществляют корректировку бюджетных назначений с учетом динамики цен и поступлений доходов в федеральный бюджет осуществляют контроль за исполнением федерального бюджета и целевым использованием средств выделяемых из федерального бюджета предприятиям учреждениям и организациям. Главный распорядитель средств федерального бюджета орган...
80155. ИСТОЧНИКИ ФИНАНСОВОГО ПРАВА. ФИНАНСОВОЕ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО 47 KB
  Нормы финансового права Российской Федерации содержатся в большом числе разнообразных правовых нормативных актов или источниках. В дореволюционном российском праве под источниками права понимались формы выражения положительного права которые имеют значение обязательных средств ознакомления с действующим правом. В современной российской юридической науке под источником права обычно понимают форму выражения правила сообщающую ему качество правовой нормы; тот единственный резервуар в котором пребывают...
80156. МЕЖБЮДЖЕТНЫЕ ОТНОШЕНИЯ НА МУНИЦИПАЛЬНОМ УРОВНЕ 83 KB
  Принципы и порядок распределения доходов и расходов между бюджетами Прежде чем говорить о процессе формирования бюджетов следует напомнить о том что они подразделяются на три уровня: федеральный региональный и местный. Принципы межбюджетных отношений: доходы и расходы распределяются и закрепляются за соответствующими уровнями бюджетной системы Российской Федерации; все бюджеты субъектов Российской Федерации региональные равны перед федеральным бюджетом и местные бюджеты равны перед региональным; доходы распределяются по уровням...
80157. МЕЖДУНАРОДНЫЕ ФИНАНСОВЫЕ ИНСТИТУТЫ 34 KB
  К таким организациям в первую очередь относятся: Международный валютный фонд МВБ; группа Всемирного банка включающая Международный банк реконструкции и развития МБРР Международную ассоциацию развития MP Международную финансовую корпорацию МФК Многостороннее агентство по гарантированию инвестиций МАГИ; Банк международных расчетов и Всемирная торговая организация ВТО. Международный банк реконструкции и развития МБРР начал свою деятельность с июня 1946 г. МБРР головной институт в группе Всемирного банка. Руководящие органы...
80158. МЕТОД ФИНАНСОВОГО ПРАВА 46.5 KB
  Метод финансового права - это совокупность юридических приемов, способов и средств, при помощи которых осуществляется правовое регулирование общественных отношений, составляющих предмет данной отрасли.