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. 4.10 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

инициализадйясемафора (событие, 0);

Рис. 4.10Синхронизация блокирования/возобновление процессов при помощи семафоров.

parbegin

процессодин;

процессдва

Parend

End;

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.

4.13 Пара "производитель-потребитель";

Когда в последовательной программе одна процедура вызывает другую и передает ей данные, обе эти процедуры являются частями единого процесса - они не выполняются параллельно. Если, од­нако, один процесс передает данные другому процессу, возникают определенные проблемы. Подобная передача может служить приме­ром взаимодействия, или обмена информацией между процессами.

program парапроизводительпотребитель;

var исключительныйдоступ: семафор;

числозанесено: семафор;

буферчисла: целое;

procedure процесспроизводитель;

var следующийрезультат: целое;

Begin

while истина do

Begin

вычислениеследующегорезультата;

Р(исключительныйдоступ);

буферчисла:= следующийрезультат;

V(исключительныйдоступ);

V(числозанесено)

End

End;

procedure процесспотребитель;

var следующийрезультат: целое;

Begin

while истина do

Begin

Р(числозанесено);

Р(исключительныйдоступ);

следующийрезультат:= буферчисла;

V(исключительныйдоступ);

записать (следующий результат)

End

End;

Begin

инициализациясемафора(исключительныйдоступ, 1);

инициализациясемафора(числозанесено, 0);

Рис. 4.11Реализация взаимодействия в паре "производитель – потребитель" при помощи семафоров.

parbegin

процесспроизводитель;

процесспотребитель

Parend

End;

Рассмотрим следующую пару (отношение) "производитель – потребитель". Предположим, что один процесс, источник, или производитель, генерирует информацию, которую другой процесс, получатель, или потребитель, использует. Предположим, что они взаимодействуют при помощи одной разделяемой целой перемен­ной с именем "буферчисла". Процесс-производитель производит некоторые вычисления, а затем заносит результат в "буферчисла";

процесс-потребитель читает "буферчисла" и печатает результат.

Возможно, что эти процессы, производитель и потребитель, ра­ботают в достаточно близком темпе либо резко различаются по ско­ростям. Если каждый раз, когда процесс-производитель помещает свой результат в "буферчисла", процесс-потребитель будет немед­ленно считывать и печатать его, то на печать будет верно выдаваться та последовательность чисел, которую формировал процесс-произ­водитель.

Предположим теперь, что скорости обоих процессов резко раз­личны. Если процесс-потребитель работает быстрее, чем процесс-производитель, он может прочитать и напечатать одно и то же число дважды (или в общем случае много раз), прежде чем процесс-произ­водитель выдаст следующее число. Если же процесс-производитель работает быстрее, чем потребитель, он может записать новый резуль­тат на место предыдущего до того, как процесс-потребитель успеет прочитать и напечатать этот предшествующий результат; процесс-производитель, работающий с очень высокой скоростью, фактиче­ски может по нескольку раз перезаписывать результат, так что бу­дет потеряно много результатов.

Очевидно, что здесь мы хотели бы обеспечить такое взаимодей­ствие процесса-производителя и процесса-потребителя, при кото­ром данные, заносимые в «буферчисла», никогда не терялись бы и не дублировались. Создание подобного режима взаимодействия яв­ляется примером синхронизации процессов.

На рис. 4.11 показана параллельная программа, в которой для реализации взаимодействия в паре "производитель – потребитель" применяются операции над семафорами.

В этой программе мы ввели два семафора: "исключительный­доступ" используется для обеспечения доступа к разделяемой пере­менной в режиме взаимоисключения, а "числозанесено" - для обес­печения синхронизации процессов.