Семафоры

Семафор является средством управления доступом к разделяемому ресурсу со стороны выполняющихся параллельно потоков. Семафор – это специальная блокирующая переменная, которая может принимать только целые неотрицательные значения: 0; 1; 2; 3 и т. д. В частном случае, когда семафор может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную, называемую двоичным семафором.

Над семафором можно проводить только две операции, традиционно обозначаемые буквами V и Р:

V- операция (освобождение ресурса) – увеличение значения семафора на 1;

Р- операция (занятие ресурса) – уменьшение значения семафора на 1.

Пусть переменная S представляет собой семафор. Тогда операции V(S) и P(S) определяются следующим образом:

V(S): переменная S увеличивается на 1 единым действием, если это возможно. Выборка, наращивание и запоминание S не могут быть прерваны. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

P(S): переменная S уменьшается на 1 единым действием, если это возможно. Если S=0 и ее невозможно уменьшить, оставаясь в области целых неотрицательных значений, поток, вызывающий операцию P, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение S также является неделимой операцией.

Во время выполнения примитивов V и P никакие прерывания недопустимы. Операция P заключает в себе потенциальную возможность перехода потока, который ее выполняет, в состояние ожидания. Операция V может при некоторых обстоятельствах активизировать другой поток, приостановленный операцией P. Операции V и Р выполняются операционной системой в ответ на запрос, выданный процессом и содержащий имя семафора в качестве параметра.

Рассмотрим использование семафоров на примере взаимодействия потоков, выполняющихся в многозадачном режиме. Одни потоки записывают данные в буферный пул, а другие считывают их из буферного пула. (Буферный пул – набор регистров, в которые записывается информация для временного хранения. Регистры освобождаются и занимаются потоками.)

Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись (рис. 4.11). Потоки-писатели должны приостанавливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, потоки-читатели должны приостанавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи. Операции записи в буфер и считывания из буфера являются критическими секциями потоков-читателей и потоков-писателей.

Для решения задачи введем три семафора:

e – число пустых буферов;

f – число заполненных буферов;

b – блокирующая переменная – двоичный семафор, используемый для обеспечения взаимного исключения при работе с разделяемыми данными в критической секции.

V-освобождение ресурса

Р-занятие ресурса

Рис. 4.11. Использованиесемафоров для синхронизации потоков

Здесь операции Р и V имеют следующее содержание:

Р(е) – если есть свободные буферы, то уменьшить их количество на 1, если нет, то перейти в состояние «ожидание»;

P(b) – если критическая секция доступна, то установить признак «занято» (b=0), если нет, то перейти в состояние «ожидание»;

V(b) – освободить критическую секцию (установить b=1);

V(f) – нарастить число занятых буферов.

Следует учитывать, что уменьшение количества свободных и увеличение числа занятых буферов – разные операции.

Поток-писатель, прежде всего, проверяет, имеются ли в пуле пустые буферы, используя семафор P(e). Если свободных буферов нет (е=0), то поток переводится в состояние ожидания. Если свободные буферы есть (е>0), то поток-писатель уменьшает их число и входит в критическую секцию (если это возможно, т.е. если b=1) для записи данных в буфер. После выхода из критической секции поток-писатель наращивает число занятых буферов V(f).

Поток-читатель действует аналогично, с той разницей, что он начинает работу с проверки наличия заполненных буферов – P(f), а после чтения данных наращивает количество свободных буферов – V(e).