Особливості використання семафорів

Семафори можна використовувати для розв’язання двох різних задач синхронізації.

1. За їхньою допомогою можна організовувати взаємне виключення (захищати код критичних секцій від виконання більш ніж одним потоком). Найзручніше для цього використати двійковий семафор, який може приймати два значення: 0 і 1. Ось приклад реалізації критичної секції з використанням двійкового семафора:

semaphore_t sem=1; //на початку семафор відкритий

down(sem);

// критична секція

up(sem);

2. За їхньою допомогою можна організовувати очікування виконання деякої умови. Припустимо, що треба організувати очікування одним потоком завершення виконання іншого (аналог операції приєднання). У цьому випадку можна використати семафор із початковим значенням 0 (закритий). Потік, який чекатиме, повинен виконати для цього семафора операцію down, а щоб просигналізувати про завершення потоку, у його функції завершення потрібно для того самого семафоруа виконати up. Ось псевдокод (this_thread означає поточний потік):

Void thread_init()

{

this_thread.sem=0; // На початку виконання потоку семафор видкритий

}

void thread_exit()

{

up(this_thread.sem); // розбудити потік, що очікує, якщо такий є

}

void thread_join(thread_t thread)

{

down(thread.sem); // Очікування завершення потоку thread

}

Реалязація задачі виробників-споживачів за допомогою семафорів

Спочатку назвемо синзронізаційні дії, потрібні для розв’язання цієї задачі.

1. Помістити операції безпосередньої зміни буфера (для виробника – поміщення об’єкта у буфер, для споживача – вилучення об’єкта із буфера) у критичні секції.

2. Організувати очікування відповідно до вимоги 2 (очікування виробника у разі повного буфера). При цьому споживач повинен повідомляти виробникам, які очікують, про те, що він забрав об’єкт із буфера (тобто буфер став неповним, якщо був повним).

3. Організувати очікування відповідно до вимоги 3 (очікування споживача у разі повного буфера). При цьому виробник повинен повідомляти споживачів. Які очікують, про те, шо він додав новий об’єкт у буфер )тобто буфер став непорожнім, якщо був порожнім).

Тепер розглянемо синхронізаційні примітиви, які нам потрібні. Кожна синхронізаційна операція потребує окремого семафора.

1. Для використання критичної секції використаємо двійковий семафор, як це робили раніше. Назвемо його lock. Він використовуватиметься як виробником, так і споживачем, захищаючи доступ до буфера від інших потоків (знову таки, як виробників, так і споживачів).

2. Для організації очікування виробника у разі повного буфера нам знадобиться семафор, поточне значення якого дорівнює кількостівільних місць у буфері. Назвемо його empty_items. Виробник перед спробою додати новий об’єкт у буфер, зменшує цей семафор, переходячі в стан очікування, якщо той дорівнював 0. Споживач після того, як збере об’єкт із буфера, збільшить семафор, повідомивши такім способом про це виробників, що рчікують (і розбудивши одного з них).

3. Для організації очікування споживача у разі порожнього буфера знадобиться семафор, поточне значення якого дорівнює кількості зайнятих місць у буфері. Назвемо його full_items. Споживач перед спробою забрати об’єкт із буфера зменшує цей семафор, переходячі у стан очікування, якщо той дорівнював 0. Виробник після того, як додасть об’єкт у буфер, збільшить семафор, повідомивши таким способом про це споживачів, що очікують ( і розбудивши одного з них).

Ось псевдокод розв’язання цієї задачі:

semaphore_t lock=1; // для критичної секції

semaphore_t empty_items=n; // 0-буфер повний, від початку він порожній

semaphore_t full_items=0; // якщо 0 – буфер порожній

// виробник

void producer()

{

item_t item=produce(); // створити об’єкт

down(empty_otems); // чи є місця для об’єкта?

down(lock); // вхід у критичну секцію

append_to_buffer(item); // додати об’єкт item у буфер

up(lock); // вихід із критичної секції

up(full_items); //повідомити споживачів, що є новий об’єкт

}

// споживач

void consumer()

{

item_t item;

down(full_items); // чи не порожній буфер?

down(lock); // вхід у критичну секцію

item=receive_from_buffer(); // забрати об’єкт item з буфера

up(lock); // вихід із критичної секції

up(empty_items); // повідомити виробників, що є місце

consume(item); // спожити об’єкт

}