Алгоритм на основе команды процессора "проверить и установить"

Алгоритмы Деккера и Петерсона полностью решают проблему взаимного исключения для случая двух процессов. В дальнейшем Дейкстрой и Кнутом были получены подобные алгоритмы взаимоисключения и для произвольного числа процессов.

Однако вскоре появилось более простое и удобное решение для проблемы взаимоисключений, основанное на использовании в цикле ожидания специальной команды процессора "проверить и установить".

Действительно, проблема простейших алгоритмов (типа алгоритма 1) состоит в том, что процесс может быть снят с выполнения между операциями проверки и установки флага перед входом в критическую секцию. Следовательно, если исключить возможность снятия процесса с выполнения именно в этом месте программы, то алгоритм 1 можно будет использовать для реализации взаимоисключений.

Заметим теперь, что переключение процессов может происходить только между машинными командами, и никогда во время выполнения команды процессором. Таким образом, если проверка и установка флага требует двух машинных команд, то возможно снятие процесса с выполнения между ними. Но если проверка и установка флага будет выполняться единственной командой процессора, то это решит все проблемы алгоритмов взаимоисключений.

С появлением многозадачных операционных систем проблема взаимоисключений приобрела чрезвычайную важность, и для ее решения в процессоры была введена специальная команда – "проверить и установить". [Заметим, что введение в систему команд процессора специальной команды для реализации взаимоисключений, наряду с введением в процессор аппаратной поддержки виртуальной памяти или введением привилегированного режима работы процессора (режима ядра), является хорошим примером влияния развития операционных систем и техники программирования на эволюцию аппаратуры компьютера.]

Команда "проверить и установить" может быть оформлена в виде простой функции:

bool test_and_set( bool* адрес_флага_для_проверки_и_установки )

Функция получает в качестве единственного аргумента адрес флага, защищающего вход в критическую секцию. Функция проверяет значение флага, а если флаг сброшен, то одновременно устанавливает его, причем проверка и установка выполняются за одну машинную команду и не могут быть разделены при смене процессов.

Команда процессора "проверить и установить" реализует простой алгоритм, показанный на рис. 13.

Рис.13 Алгоритм "проверить и установить".

Алгоритм взаимоисключений для произвольного числа процессов, основанный на использовании команды "проверить и установить" может быть следующим.

// глобальный флаг для защиты критической секции extern bool flag = false; … … … … … // цикл ожидания освобождения критической секции // и захват критической секции при ее освобождении while(test_and_set(&flag)); … … … … … // код критической секции // освобождение критической секции flag = false;

Алгоритм на основе команды процессора "обменять данные"

Альтернативой машинной команде "проверить и установить" для реализации взаимоисключений может быть машинная команда "обменять данные", выполняющая за одну машинную команду обмен данных между двумя ячейками памяти.

Команда "проверить и установить" может быть оформлена в виде простой функции:

void exchange(int* адрес_1, int* адрес_2)

Функция получает в качестве аргументов адреса двух переменных и обменивает их значения за одну машинную команду.

Алгоритм взаимоисключений для произвольного числа процессов, основанный на использовании команды "обменять данные" может быть следующим.

// глобальный флаг для защиты критической секции extern bool flag = false; … … … … … // намерение войти в критическую секцию // (локальная переменная!) bool lock = true; // цикл ожидания освобождения критической секции // и захват критической секции при ее освобождении do {exchcange(lock, flag)} while(lock); … … … … … // код критической секции // освобождение критической секции flag = false;

Рассмотрим цикл ожидания алгоритма приведенного более внимательно. Так как тело цикла ожидания состоит из единственной команды, то существует всего два варианта вытеснения процесса с исполнения во время цикла ожидания:

• в начале тела цикла ожидания, до операции обмена;

• в конце тела цикла, сразу же после операции обмена, перед сравнением;

Малое количество вариантов позволяет провести исчерпывающий анализ алгоритма.

Предположим, что процесс был снят с выполнения в начале цикла ожидания, до команды обмена. Это не может изменить значение флага lock, и ни как не влияет на работу самого процесса или его конкурентов.

Предположим теперь, что процесс был снят с выполнения сразу же после выполнения команды обмена. При этом глобальная переменная flag будет установлена в любом случае, индицируя занятость критической секции. Что же касается значения локальной переменной lock, то она останется установленной, если переменная flag была установлена до обмена (т.е. если критическая секция была уже занята), и сброшена в противном случае (т.е. если критическая секция была свободна).

Если переменная lock окажется установленной после обмена, то цикл ожидания начнется сначала, и наши рассуждения повторятся со всеми вариантами. Если же переменная lock после обмена окажется сброшенной, то цикл прервется и процесс войдет в критическую секцию. Даже если процесс будет снят с выполнения после операции обмена и до проверки флага lock, другие процессы уже не смогут войти в критическую секцию, т.к. флаг flag будет всегда установлен после операции обмена.