Блокирующие переменные

Для синхронизации потоков одного процесса программист может использовать глобальные блокирующие переменные, к которым все потоки процесса имеют прямой доступ.

С каждым разделяемым ресурсом связывается двоичная переменная, которая принимает значение 1, если ресурс свободен (то есть ни один процесс не находится в данный момент в критической секции, связанной с данным процессом), и значение 0, если ресурс занят. На рис. 4.9 показан фрагмент алгоритма потока, использующего для реализации взаимного исключения доступа к разделяемому ресурсу D блокирующую переменную F(D). Перед входом в критическую секцию поток проверяет, свободен ли ресурс D. Если он занят, то проверка циклически повторяется, если свободен, то значение переменной F(D) устанавливается в 0, и поток входит в критическую секцию. После того, как поток выполнит все действия с разделяемым ресурсом D, значение переменной F(D) снова устанавливается равным 1.

Рис. 4.9. Реализация критической секции с использованием

блокирующих переменных

Если все потоки написаны с использованием вышеописанных соглашений, то взаимное исключение гарантируется. При этом они могут быть прерваны ОС в любой момент и в любом месте. Однако, одно ограничение на прерывания все же имеется – операция проверки и установки блокирующей переменной должна быть неделимой. Для этой цели необходимо использовать соответствующие команды проверки-установки (в процессоре Pentium это BTC, BTR, BTS) или специальные системные примитивы атомарных операций.

Поясним это. Пусть в результате проверки переменной поток определил, что ресурс свободен, но сразу после этого, не успев установить переменную в 0, был прерван. За время его приостановки другой поток занял ресурс, вошел в свою критическую секцию, но также был прерван, не завершив работы с разделяемым ресурсом. Когда управление было возвращено первому потоку, он, считая ресурс свободным, установил признак занятости и начал выполнять свою критическую секцию. Таким образом, был нарушен принцип взаимного исключения, что потенциально может привести к нежелательным последствиям.

Данный способ реализации взаимного исключения имеет существенный недостаток: пока ресурс занят, поток, ожидающий его освобождения, будет непрерывно опрашивать блокирующую переменную, бесполезно тратя процессорное время, которое может быть использовано для выполнения какого-нибудь другого потока.

Для устранения этого недостатка в ОС Windows для работы с критическими секциями используются специальные системные вызовы: EnterCriticalSection () и LeaveCriticalSection ().

При входе в критическую секцию (рис. 4.10) поток выполняет системный вызов EnterCriticalSection (), в рамках которого вначале выполняется проверка блокирующей переменной необходимого ресурса. Если ресурс занят, то циклический опрос далее не выполняется, а поток переводится в состояние ожидания освобождения ресурса D. Поток, который в это время использует ресурс D, после выхода из критической секции должен вызвать системную функцию LeaveCriticalSection (), в результате чего ресурс освобождается. ОС просматривает очередь ожидающих этот ресурс потоков и переводит поток, ожидающий событие D, в состояние «готовность».

Рис. 4.10. Реализация критической секции с использованием

системных функций