ОБобщенная задача взаимного исключения

Даны N циклических процессов, каждый со своим критическим интервалом. Можно ли организовать работу таким образом, чтобы в любой момент времени только один из процессов мог находиться в своём критическом интервале?

begin integer array b, c [0..N];

Integer очередь;

for очередь := 0 step 1 until N do

begin

b [очередь] := 1;

c [очередь] := 1;

end;

очередь := 0;

parbegin

процесс 1: begin … end;

процесс 2: begin … end;

. . .

процесс N: begin … end;

parend;

end;

процесс i:

begin integer j, k;

Ai: b [i] := 0;

Li: if (очередь ≠ i) then

begin

С[i] = 1;

k = очередь;

if (b [k] = 1) then очередь := i;

goto Li;

end;

C[i] := 0;

for j := 1 step 1 until N do

if ((j ≠ i) and (C[i] = 0)) then goto Li;

Критический интервал i;

очередь := 0;

C[i] := 1;

b[i] := 1;

Oстаток цикла i;

goto Ai;

end;

Если один из процессов с номером i присваивает переменной ’очередь’ свой номер, то никакой другой процесс не сможет выполнить присваивание этой переменной прежде, чем i-тый процесс завершит свой критический интервал.

Для проверки правильности решения проверяем те же три условия.

Синхронизирующие примитивы (семафоры)

Неделимое обращение к общим переменным всегда подразумевает одностороннее движение информации.

Отдельный процесс может либо присвоить новое значение переменной, либо проверить её текущее значение. Однако такая проверка не оставляет следов для других процессов. Вследствие этого, пока процесс желает отреагировать на текущее значение общей переменной, значение этой переменной может быть изменено другими процессами. Таким образом, такая организация связей между процессами не может считаться полностью удовлетворительной.

Для разрешения такой ситуации:

1. Вводятся специальные целочисленные общие переменные, называемые семафорами;

2. К набору элементарных действий, из которых состоят процессы, добавляются две новых операции (два новых примитива), называемые p-операцией и v-операцией.

Эти две операции всегда выполняются над семафорами и являются единственным способом обращения к семафорам со стороны одновременно действующих процессов.

В большинстве случаев применяются двоичные семафоры, которые могут принимать значения 0 и 1, но существует и понятие общего семафора, который подразумевает, сто переменная может принимать определенное ограниченное количество целочисленных значений.

Определение v-операции:

v-операция – это операция с одним аргументом, который должен быть семафором. Ее назначение – увеличение значения аргумента на единицу. Это действие рассматривается как неделимая операция.

Integer S;

Процесс 1 :

V(S);

Процесс 2 :

V(S);

В результате значение S увеличится на 1.

Если бы вместо v(S) было S :=S+1 ,то S могло бы увеличиться только на 1, в случае параллельного выполнения процессов. V-операция исключает такую ситуацию даже при одновременном её выполнении обоими процессами.

Определение р-операции:

p-операция – операция с одним аргументом, который должен быть семафором. Ее назначение – уменьшение аргумента на единицу, если только результирующее значение не становится отрицательным.

р-операция представляет собой потенциальную задержку. Если процесс инициирует р-операцию над семафором, который в этот момент равен нулю, то в данном случае р-операция не может завершиться, пока какой-либо другой процесс не выполнит v-операцию над тем же семафором и не присвоит ему значение 1.

Несколько процессов могут одновременно начать р-операцию над одним семафором. Тогда утверждение о том, что завершение р-операции есть неделимое действие, означает, что когда семафор получит значение 1, только одна из начатых р-операций над этим семафором завершится, какая именно – не определено.

Считается, что р и v-операции реализуются на вычислительной машине.

Очевидно, что применение семафоров позволяет несложно записать решение задачи взаимного исключения в общем виде.

begin integer свободно;

свободно := 1;

очередь := 0;

parbegin

процесс 1: begin … end;

процесс 2: begin … end;

. . .

процесс N: begin … end;

parend;

end;

процесс i:

begin

Li: p(свободно);

Критический интервал i;