Межпроцессное взаимодействие, критерий отсутствия состязательности, классические реализации концепции критических областей на примере семафоров и мьютексов

Процессам (и потокам) необходимо взаимодействовать друг с другом. При этом возникает ряд ситуаций, требующих дополнительного регулирования. Например, если несколько процессов используют один и тот же ресурс, необходимо контролировать последовательность получения доступа, чтобы процессы работали корректно. Рассмотрим способы организации межпроцессорных взаимодействий.

В случае взаимодействия двух произвольных процессов, не всегда возможно организовать в операционной системе специальный процесс для регулирования этих взаимодействий. Чтобы решить задачи взаимодействий на совместно используемых ресурсах вводят некоторые специальные понятия.

Критическая секция (или критическая область) — это часть программы, в которой происходит обращение к совместно используемым ресурсам.

Критерий отсутствия состязательности. Два и более процессов, использующих один и тот же общий ресурс не состязаются за этот ресурс тогда и только когда, когда в критической секции, связанной с этим ресурсом одновременно находится не более чем один из этих процессов.

В самом деле, часть времени процесс занимается внутренними расчётами и не использует общий ресурс. Как только этот процесс входит в критическую секцию, т.е. происходит работа с общим ресурсом, об этом особым образом становится известно. Если в это время (пока первый процесс не вышел из критической секции) какой-либо другой процесс попробует войти в критическую секцию (т.е. начать работать с общим ресурсом), ему будет в этом отказано. Точнее, второй процесс будет приостановлен до тех пор, пока первый не выйдет из критической секции. Это можно проиллюстрировать на рисунке.

Рисунок 1. Исключение состязательности с использованием критических областей

Теоретическая концепция критических областей имеет несколько стандартных реализаций, применяемых в различных операционных системах. Подробно рассмотрим лишь некоторые из них.

1. Запрет прерываний.

Если прерывания запрещены, то невозможно и переключение на другой процесс, который может состязаться за какие-либо ресурсы. Однако такой подход весьма неразумен, поскольку заранее не известно время, которое процесс будет находиться в критической области. Таким образом, пока пользовательский процесс в критической секции, не сможет произойти ни одна обработка, в том числе системных и неотложных событий.

1. Переменные блокировки

Если процессы используют один и тот же ресурс, разумно использовать некоторую общую переменную — переменную блокировки — которую изначально положить равной 0, а когда процесс будет входить в критическую область, он будет менять значение этой переменной на 1. Таким образом, если некоторый процесс хочет войти в критическую секцию, а переменная блокировки равна 1, процесс будет ожидать до тех пор, пока переменная блокировки не обратится в 0, что будет означать в критической секции не находится ни одного процесса.

Кроме рассмотренных можно назвать распространённые реализации: строгое чередование, алгоритм Петерсона, установка блокировки процессора (TLS, Test and Set Lock).