Разработка Syncхронизация: Проблема критической секции в ОС

Что такое процесс Syncхронизация?

Разработка Syncхронизация Это задача координации выполнения процессов таким образом, чтобы ни один процесс не мог иметь доступ к одним и тем же общим данным и ресурсам.

Это особенно необходимо в многопроцессных системах, когда несколько процессов работают одновременно, и более одного процесса одновременно пытаются получить доступ к одному и тому же общему ресурсу или данным.

Это может привести к несогласованности совместно используемых данных. Таким образом, изменения, внесенные одним процессом, не обязательно отражаются при обращении других процессов к тем же общим данным. Чтобы избежать подобной несогласованности данных, процессы необходимо синхронизировать друг с другом.

Как процесс Syncхронизация работает?

Например, процесс A изменяет данные в ячейке памяти, в то время как другой процесс B пытается прочитать данные из этой ячейки. то же расположение памяти. Существует высокая вероятность того, что данные, считанные вторым процессом, будут ошибочными.

Разделы программы

Вот четыре основных элемента критического раздела:

• Входной раздел: Это часть процесса, которая определяет вход конкретного процесса.
• Критический раздел: Эта часть позволяет одному процессу вводить и изменять общую переменную.
• Выход из раздела: Раздел «Выход» позволяет другим процессам, ожидающим в разделе «Вход», перейти в раздел «Критическая секция». Он также проверяет, следует ли удалять из раздела процесс, завершивший свое выполнение.
• Остаток раздела: Все остальные части CodeТе элементы, которые не входят в разделы «Критические элементы», «Входные элементы» и «Выходные элементы», называются разделом «Остаточные элементы».

Что такое проблема критического сечения?

Критическая секция — это сегмент кода, к которому может обращаться только один процесс в определенный момент времени. Эта секция содержит общие ресурсы данных, доступ к которым необходим другим процессам.

• Вход в критическую секцию обрабатывается функцией wait() и обозначается как P().
• Выход из критической секции контролируется функцией signal(), представленной как V().

В критическом разделе может выполняться только один процесс. Другие процессы, ожидающие выполнения своей критической секции, должны дождаться, пока текущий процесс завершит свое выполнение.

Правила критического раздела

Критическая секция должна обеспечивать соблюдение всех трех правил:

• Взаимное исключение: Взаимное исключение — это особый тип двоичного семафора, который используется для контроля доступа к общему ресурсу. Он включает механизм наследования приоритетов, позволяющий избежать проблем расширенной инверсии приоритетов. В своей критической секции одновременно может выполняться не более одного процесса.
• Ход работы: Это решение используется, когда в критической секции никого нет, но кто-то хочет войти. Тогда процессы, не находящиеся в остаточной секции, должны за конечное время решить, кто должен войти.
• Связанное ожидание: Когда процесс запрашивает вход в критическую секцию, существует определённое ограничение на количество процессов, которые могут попасть в эту критическую секцию. Поэтому, когда это ограничение достигнуто, система должна разрешить процессу запрос на вход в критическую секцию.

Решения для критической секции

В процессе SyncПри хронизации критическое сечение играет главную роль, поэтому проблему необходимо решить.

Вот некоторые широко используемые методы решения проблемы критического сечения.

Петерсон Решение

Решение Петерсона — широко используемое решение задач о критическом сечении. Этот алгоритм был разработан учёным-программистом по имени Петерсон, поэтому он и называется решением Петерсона.

В этом решении, когда процесс выполняется в критическом состоянии, другой процесс выполняет только остальную часть кода, и может произойти обратное. Этот метод также помогает гарантировать, что в критическом разделе в определенное время выполняется только один процесс.

Пример

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

• Предположим, что существует N процессов (P1, P2, … PN), и каждый процесс в какой-то момент времени должен попасть в критическую секцию.
• Поддерживается массив FLAG[] размером N, который по умолчанию имеет значение false. Таким образом, всякий раз, когда процессу необходимо войти в критическую секцию, он должен установить свой флаг в значение true. Например, если Pi хочет войти, он установит FLAG[i]=TRUE.
• Другая переменная, называемая TURN, указывает номер процесса, который в данный момент ожидает ввода в систему обработки данных.
• Процесс, который входит в критическую секцию при выходе, изменит TURN на другой номер из списка готовых процессов.
• Пример: если значение поворота равно 2, то P2 входит в критическую секцию, а при выходе из нее значение поворота становится равным 3, и, следовательно, P3 выходит из цикла ожидания.

SyncАппаратное обеспечение для хронизации

Иногда проблемы критической секции решаются и аппаратно. Некоторые операционные системы предлагают функцию блокировки, при которой процесс получает блокировку при входе в критическую секцию и снимает её после выхода из неё.

Поэтому, когда другой процесс пытается войти в критическую секцию, он не сможет войти, поскольку он заблокирован. Он может сделать это только в том случае, если он свободен путем приобретения самой блокировки.

Мьютексные блокировки

SyncАппаратная хронизация — не самый простой метод для реализации, поэтому был также введен строгий программный метод, известный как мьютексные блокировки.

При таком подходе во входной части кода устанавливается БЛОКИРОВКА критических ресурсов, используемых внутри критической секции. На выходе этот замок снимается.

Semaphore Решение

Semaphore Это просто неотрицательная переменная, которая используется несколькими потоками. Это ещё один алгоритм или решение проблемы критической секции. Это механизм сигнализации, и поток, ожидающий сигнала семафора, может получить сигнал от другого потока.

В нем используются две атомарные операции: 1) ожидание и 2) сигнализация для синхронизации процесса.

Пример

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

Часто задаваемые вопросы (FAQ)