Семафоры как средство синхронизации процессов

Семафоры традиционно использовались для синхронизации процессов, обращающихся к разделяемым данным. Каждый процесс должен исключать для всех других процессов возможность одновременно с ним обращаться к этим данным (взаимоисключение). Когда процесс обращается к разделяемым данным, говорят, что он находится в своем критическом участке.

Для решения задачи синхронизации необходимо, в случае если один процесс находится в критическом участке, исключить возможность вхождения для других процессов в их критические участки. Хотя бы для тех, которые обращаются к тем же самым разделяемым данным. Когда процесс выходит из своего критического участка, то одному из остальных процессов, ожидающих входа в свои критические участки, должно быть разрешено продолжить работу.

Процессы должны как можно быстрее проходить свои критические участки и не должны в этот период блокироваться. Если процесс, находящийся в своем критическом участке, завершается (возможно, аварийно), то необходимо, чтобы некоторый другой процесс мог отменить режим взаимоисключения, предоставляя другим процессам возможность продолжить выполнение и войти в свои критические участки.

В теории операционных систем семафор представляет собой неотрицательную целую переменную, над которой возможны два вида операций: P и V.

• · P-операция над семафором представляет собой попытку уменьшения значения семафора на 1. Если перед выполнением P-операции значение семафора было больше 0, P-операция выполняется без задержек. Если перед выполнением P-операции значение семафора было 0, процесс, выполняющий P-операцию, переводится в состояние ожидания до тех пор, пока значение семафора не станет большим 0.
• · V-операция над семафором представляет собой увеличение значения семафора на 1. Если при этом имеются процессы, задержанные на выполнении P-операции на данном семафоре, один из этих процессов выходит из состояния ожидания и может выполнить свою P-операцию.

Семафоры являются гибким и удобным средством для синхронизации и взаимного исключения процессов, учета ресурсов, скрытые семафоры также используются в операционных системах как основа для других средств взаимодействия процессов.

Взаимное исключение на семафоре

Для реализации взаимного исключения, например, предотвращения возможности одновременного изменения двумя или более процессами общих данных, создается двоичный (с возможными значениями 0 и 1) семафор S. Начальное значение этого семафора — 1. Критические секции кода (секции, которые могут одновременно выполняться только одним процессом) обрамляются «скобками» P (S) (в начале секции) и V (S) (в конце секции). Процесс, входящий в критическую секцию, выполняет операцию P (S) и переводит семафор в 0. Если в критической секции уже находится другой процесс, то значение семафора уже 0, тогда второй процесс, желающий войти в критическую секцию, блокируется в своей P-операции до тех пор, пока процесс, находящийся в критической секции сейчас, не выйдет из нее, выполнив на выходе операцию V (S).

Синхронизация на семафоре

Для обеспечения синхронизации создается двоичный семафор S с начальным значением 0. Значение 0 означает, что событие, еще не наступило. Процесс, сигнализирующий о наступлении события, выполняет операцию V (S), устанавливающую семафор в 1. Процесс, ожидающий наступления события, выполняет операцию P (S). Если к этому моменту событие уже произошло, ожидающий процесс продолжает выполняться, если же событие еще не произошло, процесс переводится в состояние ожидания до тех пор, пока сигнализирующий процесс не выполнит V (S).

В случае, если одного и того же события ожидают несколько процессов, процесс, успешно выполнивший операцию P (S), должен вслед за ней выполнить V (S), чтобы продублировать сигнал о событии для следующего ожидающего процесса.

Семафор — счетчик ресурсов

Если у нас имеется N единиц некоторого ресурса, то для контроля его распределения создается общий семафор S с начальным значением N. Выделение ресурса сопровождается операцией P (S), освобождение — операцией V (S). Значение семафора, таким образом, отражает число свободных единиц ресурса. Если значение семафора 0, то есть, свободных единиц болше не остается, то очередной процесс, запрашивающий единицу ресурса будет переседен в ожидание в операции P (S) до тех пор, пока какой-либо из использующих ресурс процессов не освободит единицу ресурса, выполнив при этом V (S).