Общее представление семафоров
Семафоры лучше всего предствлять себе как счетчики, управляющие доступом к общим ресурсам. Чаще всего они используются как блокирующий механизм, не позволяющий одному процессу захватить ресурс, пока этим ресурсом пользуется другой. Семафоры часто подаются как наиболее трудные для восприятия из всех трех видов IPC-объектов. Для полного понимания, что же такое семафор, мы их немного пообсуждаем, прежде чем переходить к системным вызовам и операционной теории.
Слово "семафор" в действительности является старым железнодорожным термином, соответствующим "рукам", не дающим траекториям каров (это то, что у буржуев ездит по рельсам - перев.) пересекаться на перекрестках. То же самое можно сказать и про семафоры. Семафор в положении ON (руки пондяты вверх) если ресурс свободен и в положении OFF (руки опущены) если ресурс недоступен (должны ждать).
Этот пример неплохо показал суть работы семафора, однако важно знать, что в IPC используются множества семафоров, а не отдельные экземпляры. Разумеется, множество может содержать и один семафор, как в нашем железнодорожном примере.
Возможен другой подход к семафорам - как к счетчикам ресурсов. Приведем другой пример из жизни. Вообразим себе спулер, управляющий несколькими принтерами, каждый из которых обрабатывает по нескольку заданий. Гипотетический менеджер печати будет использовать множество семафоров для установления доступа к каждому из принтеров.
Предположим, что в корпоративной комнате имеются 5 работающих принтеров. Наш менеджер конструирует 5 семафоров - по одному на каждый принтер. Поскольку каждый принтер может обрабатывать только по одному запросу за раз, все семафоры устанавливаются в 1, что означает готовность всех принтеров печатать.
Машенька послала запрос на печать. Менеджер смотрит на семафоры и находит первый из них со значением 1. Перед тем, как Машенькин запрос попадет на физическое устройство, менеджер печати уменьшит соответствующий семафор на 1. Теперь значение семафора есть 0. В мире семафоров System V нуль означает стопроцентную занятость ресурса на семафоре. В нашем примере на принтере не будет ничего печататься, пока значение семафора не изменится.
Когда Машенька напечатала все свои плакаты, менеджер печати увеличивает семафор на 1. Теперь его значение вновь равно 1 и принтер может принимать задания снова.
Не смущайтесь тем, что все семафоры инициализируются единицей. Семафоры, трактуемые как счетчики ресурсов, могут изначально устанавливаться в любое натуральное число, не только в 0 или 1. Если бы наши принтеры умели печатать по 500 документов за раз, мы могли бы проинициализировать семафоры значением 500, уменьшая семафор на 1 при каждом поступающем задании и увеличивая после его завершения. Как вы увидите в следующей главе, семафоры имеют очень близкое отношение к разделяемым участкам памяти, играя роль сторожевой собаки, кусающей нескольких писателей в один и тот же сегмент памяти (имеется в виду машинная память).
Предыстория
В 1965 году, когда Дейкстра предложил использовать целочисленную переменную для подсчета количества активизаций, отложенных на будущее. Он предложил учредить новый тип переменной – семафор (semaphore). Значение семафора может быть равно 0, что будет свидетельствовать об отсутствии сохраненных активизаций или иметь какое-нибудь положительное значение, если ожидается не менее одной активизации. Дейкстра предложил использовать две операции, domn и up (обобщения sleep и makeup соответственно).
Операция domn выясняет, отличается ли значение семафора от 0. Если отличается, она уменьшает это значение на 1 (то есть использует одну сохраненную активизацию) и продолжает свою работу. Если значение равно 0, процесс приостанавливается, не завершая в этот раз операцию domn. И проверка значения, и его изменение, и, возможно, приостановка процесса осуществляются как единое и неделимое атомарное действие. Тем самым гарантируется, что с началом семафорной операции никакой другой процесс не может получить доступ к семафору до тех пор, пока операция не будет завершена или заблокирована.
Атомарность является абсолютно необходимым условием для решения проблем синхронизации и исключения состязательных ситуаций. Атомарные действия, в которых группа взаимосвязанных операций либо выполняется без каких-либо прерываний, либо вообще не выполняется, приобрели особую важность и во многих других областях информатики. Операция up увеличивает значение, адресуемое семафором, на 1. Если с этим семафором связаны один или более приостановленных процессов, способных завершить ранее начатые операции down, система выбирает один из них (к примеру, произвольным образом) и позволяет ему завершить его операцию down.
Таким образом, после применения операции up в отношении семафора, с которым были связанны приостановленные процессы, значение семафора так и останется нулевым, но количество приостановленных процессов уменьшится на 1. Операция увеличения значения семафора на 1 и активизации одного из процессов также является неделимой. Ни один из процессов не может быть заблокирован при выполнении операции up, равно как ни один из процессов не может быть заблокирован при выполнении wakeup в предыдущей модели. Между прочим, в первоначальном варианте своей работы Дейкстра вместо down и up использовал имена Р и V соответственно. Но в них не было никакого мнемонического смысла для тех, кто не говорит по-голландски, да и для тех, кто говорит, смысл был едва уловим – Proberen (пытаться) и Verhogen (поднимать выше), поэтому вместо этих терминов мы будет употреблять down и up. Впервые они были представлены в языке программирования Algol 68.
В теории операционных систем семафор представляет собой неотрицательную целую переменную, над которой возможны два вида операций: P и V. P-операция над семафором представляет собой попытку уменьшения значения семафора на 1. Если перед выполнением P-операции значение семафора было больше 0, P-операция выполняется без задержек. Если перед выполнением P-операции значение семафора было 0, процесс, выполняющий P-операцию, переводится в состояние ожидания до тех пор, пока значение семафора не станет большим 0. V-операция над семафором представляет собой увеличение значения семафора на 1. Если при этом имеются процессы, задержанные на выполнении P-операции на данном семафоре, один из этих процессов выходит из состояния ожидания и может выполнить свою P-операцию.
Семафоры являются гибким и удобным средством для синхронизации и взаимного исключения процессов, учета ресурсов, скрытые семафоры также используются в операционных системах как основа для других средств взаимодействия процессов.