Проблемы синхронизации процессов. Способы синхронизации

Синхронизация процессов и потоков.

Синхронизация – это согласование скоростей потоков путем приостановки потока до наступления какого-то события и его последующей активизации при наступлении этого события.

IPC (Inter Process Communication)

 

 

Процесс 2

 

 

Синхронизация может выполняться как средствами ОС, так и быть встроенной в программу.

Необходимость синхронизации и гонки.

Рассмотрим пример:

2-а процесса борются за один ресурс.

 

Клиент N

Описание ситуации:

1. Поток А обновляет поле «Заказ» записи о клиенте N. Он выполняет шаг А1. шаг А2 изменяет значение поля «Заказ». Выполнение прерывается из-за завершения кванта.

2. Поток В выполняет операцию внесения данных об оплате клиентом N. Он успевает выполнить шаг В1 и В2 до своего прерывания.

3. Управление передается потоку А, выполняется шаг А3 и запись переносится в файл.

4. Когда управление передается потоку В, он выполняет шаг В3. Данные о «Заказе» потока А заменяются на устаревшие.

Может возникнуть и обратная ситуация, может быть потеряна информация поля «Оплата».

Ситуация, когда два или более процесса обрабатывают разделяемые данные и неконечный результат зависит от соотношения скоростей потоков, называется «Гонкой».

Критическая секция:

Это часть программы, результат выполнения которой может меняться, если переменные относящиеся к этой части программы изменяются другими потоками, пока ее выполнение еще не завершено.

Чтобы исключить эффект «Гонок» по отношению к критическим данным, необходимо чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными находился только 1 поток, это метод Взаимного Исключения.

Простейший вариант реализации: это возможность запрета любых прерываний потоков при ее нахождении в критической секции.

Блокирующие переменные.

Глобальные переменные - это переменные, к которым все потоки имеют доступ.

Алгоритм использования блокирующих переменных:

 

Продолжить выполнение

 

Каждому набору критических данных ставится соответствующая двоичная переменная, которая =0 при нахождении в критической ситуации, и =1, если ресурс свободен.

Проверки значения переменной и занятия ресурса должны быть не делимой операцией.

Недостаток: неэффективность использования процессов времени в цикле проверки значения переменной. Для решения этой проблемы в ОС применяются специальные системные вызовы для работы с критическими секциями.

Семафоры.

Дийкстра (Dykstra) – это переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Для работы с семафорами используются 2 примитива, обозначаемые P и V. Сама переменная семафор – S.

С ней выполняются следующие действия:

1. V(S): S: =S+1

Единым неделимым действиям.

2. P(S): S: = S-1

Если это возможно. Если S: =0, то поток ждет пока это уменьшение станет возможным. Операция неделимая.

 

Пример:

Работа семафора на примере двух потоков при помощи буфера.

 

потоки-писатели потоки-читатели

 

Для правильной совместной работы, поток-писатель должен остановиться, когда все записи в буфере заняты, и активироваться при освобождении хотя бы одного буфера.

Напротив, поток-читатель останавливается, когда все буферы пусты, и активируется при появлении хотя бы одной записи.

Буфер состоит из буферов N.

Введем семафоры e и f.

e – свободные;

f – занятые.

В начальный момент времени e = N, f = 0: потоки-писатели выполняют операцию P(e).

Такая схема позволяет эффективно и с минимальными затратами решить сложную задачу.

В частном случае, если переменная S принимает значение 0 и 1: S = {0,1}, то семафор вырождается в блокирующую переменную (двоичный семафор).