Prozess SyncHronisierung: Kritisches Abschnittsproblem im Betriebssystem

Was ist Prozess? SyncChronisierung?

Prozess SyncHronisierung ist die Aufgabe, die Ausführung von Prozessen so zu koordinieren, dass keine zwei Prozesse auf die gleichen gemeinsamen Daten und Ressourcen zugreifen können.

Es ist insbesondere in einem Mehrprozesssystem erforderlich, wenn mehrere Prozesse gleichzeitig laufen und mehr als ein Prozess gleichzeitig versucht, auf dieselbe gemeinsam genutzte Ressource oder dieselben Daten zuzugreifen.

Dies kann zu Inkonsistenzen bei gemeinsam genutzten Daten führen. Änderungen, die von einem Prozess vorgenommen werden, werden daher nicht unbedingt von anderen Prozessen übernommen, die auf dieselben Daten zugreifen. Um diese Art von Dateninkonsistenz zu vermeiden, müssen die Prozesse miteinander synchronisiert werden.

Wie Prozess SyncFunktioniert die Thronisierung?

Beispielsweise ändert Prozess A die Daten in einem Speicherbereich, während ein anderer Prozess B versucht, die Daten aus diesem Speicherbereich zu lesen. gleich Speicherort. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die vom zweiten Prozess gelesenen Daten fehlerhaft sind.

Abschnitte eines Programms

Hier sind vier wesentliche Elemente des kritischen Teils:

• Eintragsbereich: Es ist ein Teil des Prozesses, der über den Eintritt in einen bestimmten Prozess entscheidet.
• Kritischer Abschnitt: Dieser Teil ermöglicht es einem Prozess, die gemeinsam genutzte Variable einzugeben und zu ändern.
• Ausgangsbereich: Der Exit-Abschnitt ermöglicht es den anderen Prozessen, die im Entry-Abschnitt warten, in den Critical-Abschnitt einzutreten. Er prüft außerdem, ob ein Prozess, der seine Ausführung beendet hat, über diesen Abschnitt entfernt werden soll.
• Restabschnitt: Alle anderen Teile des CodeDiejenigen, die nicht im Abschnitt „Kritisch“, „Eintritt“ und „Ausgang“ aufgeführt sind, werden als Restabschnitt bezeichnet.

Was ist ein Problem mit kritischen Abschnitten?

Ein kritischer Abschnitt ist ein Codeabschnitt, auf den nur ein einzelner Prozess zu einem bestimmten Zeitpunkt zugreifen kann. Dieser Abschnitt enthält gemeinsam genutzte Datenressourcen, auf die andere Prozesse zugreifen müssen.

• Der Eintritt in den kritischen Abschnitt wird von der Funktion wait() verarbeitet und als P() dargestellt.
• Der Ausgang aus einem kritischen Abschnitt wird durch die Funktion signal() gesteuert, dargestellt als V().

Im kritischen Abschnitt kann nur ein einzelner Prozess ausgeführt werden. Andere Prozesse, die auf die Ausführung ihres kritischen Abschnitts warten, müssen warten, bis der aktuelle Prozess seine Ausführung abgeschlossen hat.

Regeln für den kritischen Abschnitt

Der kritische Abschnitt muss alle drei Regeln einhalten:

• Gegenseitiger Ausschluss: Gegenseitiger Ausschluss ist eine spezielle Art von binärem Semaphor, der zur Steuerung des Zugriffs auf die gemeinsam genutzte Ressource verwendet wird. Es enthält einen Mechanismus zur Prioritätsvererbung, um erweiterte Probleme bei der Prioritätsumkehr zu vermeiden. In seinem kritischen Abschnitt kann nicht mehr als ein Prozess gleichzeitig ausgeführt werden.
• Progress: Diese Lösung kommt zum Einsatz, wenn sich kein Prozess im kritischen Abschnitt befindet und ein Prozess eintreten möchte. Dann entscheiden die Prozesse, die sich nicht im Restabschnitt befinden, innerhalb einer endlichen Zeit, wer eintreten soll.
• Gebundenes Warten: Wenn ein Prozess anfordert, in den kritischen Abschnitt zu gelangen, ist die Anzahl der Prozesse, die in ihren kritischen Abschnitt gelangen können, begrenzt. Sobald diese Grenze erreicht ist, muss das System die Anfrage des Prozesses zum Eintritt in seinen kritischen Abschnitt zulassen.

Lösungen für den kritischen Abschnitt

In Bearbeitung SyncBei der Chronologie spielt der kritische Abschnitt die Hauptrolle, sodass das Problem gelöst werden muss.

Hier sind einige weit verbreitete Methoden zur Lösung des Problems kritischer Abschnitte.

Peterson-Lösung

Petersons Lösung ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Lösung von Problemen mit kritischen Abschnitten. Dieser Algorithmus wurde von einem Informatiker namens Peterson entwickelt, daher der Name Petersons Lösung.

Wenn bei dieser Lösung ein Prozess in einem kritischen Zustand ausgeführt wird, führt der andere Prozess nur den Rest des Codes aus, und das Gegenteil kann passieren. Diese Methode trägt auch dazu bei, sicherzustellen, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt nur ein einziger Prozess im kritischen Abschnitt ausgeführt wird.

Beispiel

PROCESS Pi
FLAG[i] = true
while( (turn != i) AND (CS is !free) ){ wait;
}
CRITICAL SECTION FLAG[i] = false
turn = j; //choose another process to go to CS

• Angenommen, es gibt N Prozesse (P1, P2, … PN), und jeder Prozess muss zu einem bestimmten Zeitpunkt in den kritischen Abschnitt eintreten.
• Es wird ein FLAG[]-Array der Größe N verwaltet, das standardmäßig auf „false“ gesetzt ist. Immer wenn ein Prozess in den kritischen Abschnitt eintreten möchte, muss er sein Flag auf „true“ setzen. Wenn beispielsweise Pi eintreten möchte, setzt er FLAG[i]=TRUE.
• Eine weitere Variable namens TURN gibt die Prozessnummer an, die aktuell darauf wartet, in das CS einzutreten.
• Der Prozess, der beim Verlassen in den kritischen Abschnitt eintritt, würde die TURN in eine andere Nummer aus der Liste der bereiten Prozesse ändern.
• Beispiel: Wenn P2 an Position 2 ist, tritt er in den kritischen Abschnitt ein und verlässt diesen bei Position 3, wodurch P3 aus der Warteschleife ausbricht.

SyncHronisierungshardware

Manchmal werden die Probleme des kritischen Abschnitts auch durch Hardware gelöst. Einige Betriebssysteme bieten eine Sperrfunktion, bei der ein Prozess beim Betreten des kritischen Abschnitts eine Sperre erhält und diese nach dem Verlassen wieder freigibt.

Wenn also ein anderer Prozess versucht, in den kritischen Abschnitt einzudringen, kann er nicht darauf zugreifen, da er gesperrt ist. Dies ist nur möglich, wenn es durch den Erwerb des Schlosses selbst frei wird.

Mutex-Sperren

SyncDa die Hardware-Hronisierung nicht für jeden einfach zu implementieren ist, wurde auch eine strikte Softwaremethode namens Mutex Locks eingeführt.

Bei diesem Ansatz wird im Eingabeabschnitt des Codes eine SPERRE für die kritischen Ressourcen erhalten, die im kritischen Abschnitt verwendet werden. Im Ausgangsabschnitt wird diese Sperre aufgehoben.

Semaphore Lösung

Semaphore Es handelt sich lediglich um eine nicht-negative Variable, die von mehreren Threads gemeinsam genutzt wird. Sie stellt einen weiteren Algorithmus bzw. eine Lösung für das Problem des kritischen Abschnitts dar. Es ist ein Signalmechanismus, mit dem ein Thread, der auf ein Semaphor wartet, von einem anderen Thread signalisiert werden kann.

Es verwendet zwei atomare Operationen: 1) Warten und 2) Signal zur Prozesssynchronisation.

Beispiel

WAIT ( S ):
while ( S <= 0 );
S = S - 1;
SIGNAL ( S ):
S = S + 1;

Häufig gestellte Fragen