Состояние состязания. Критические области

В некоторых операционных системах процессы, работающие совместно, могут сообща использовать некое общее хранилище данных. Каждый из процессов может считывать из общего хранилища данных и записывать туда информацию. Это хранилище представляет собой участок в основной памяти (возможно, в структуре данных ядра) или файл общего доступа. Местоположение совместно используемой памяти не влияет на суть взаимодействия и возникающие проблемы. Ситуации, в которых два (и более) процесса считывают или записывают данные одновременно и конечный результат зависит от того, какой из них был первым, называются состояниями состязания. Отладка программы, в которой возможно состояние состязания, вряд ли может доставить удовольствие. Результаты большинства тестовых прогонов будут хорошими, но изредка будет происходить нечто странное и необъяснимое.

Как избежать состязания? Основным способом предотвращения проблем в этой и любой другой ситуации, связанной с совместным использованием памяти, файлов и чего-либо еще, является запрет одновременной записи и чтения разделенных данных более чем одним процессом. Говоря иными словами, необходимо взаимное исключение. Это означает, что в тот момент, когда один процесс использует разделенные данные, другому процессу это делать будет запрещено.

Некоторый промежуток времени процесс занят внутренними расчетами и другими задачами, не приводящими к состояниям состязания. В другие моменты времени процесс обращается к совместно используемым данным или выполняет какое-то другое действие, которое может привести к состязанию. Часть программы, в которой есть обращение к совместно используемым данным, называется критической областью или критической секцией. Если нам удастся избе­жать одновременного нахождения двух процессов в критических областях, мы сможем избежать состязаний.

Несмотря на то что это требование исключает состязание, его недостаточно для правильной совместной работы параллельных процессов и эффективного использования общих данных. Для этого необходимо выполнение четырех условий:

1. Два процесса не должны одновременно находиться в критических областях.

2. В программе не должно быть предположений о скорости или количестве процессоров.

3. Процесс, находящийся вне критической области, не может блокировать другие процессы.

4. Невозможна ситуация, в которой процесс вечно ждет попадания в критическую область.

Взаимное исключение с активным ожиданием.

Рассмотрим различные способы реализации взаимного исключения с целью избежать вмешательства в критическую область одного процесса при нахождении там другого и связанных с этим проблем.

Запрещение прерываний.

Самое простое решение заключается в запрещении всех прерываний при входе процесса в критическую область и разрешении прерываний при выходе из области. Если прерывания запрещены, то невозможно прерывание по таймеру. Поскольку процессор переключается с одного процесса на другой только по прерыванию. то отключение прерываний исключает передачу процессора другому процессу. Таким образом, запретив прерывания, процесс может спокойно считывать и сохранять совместно используемые данные, не опасаясь вмешательства другого процесса.

И все же было бы неразумно давать пользовательскому процессу возможность запрета прерываний. Представим, что процесс отключил все прерывания и в результате какого-либо сбоя не включил их обратно. Операционная система на этом моменте может закончить свое существование. К тому же в многопроцессорной системе запрещение прерываний повлияет только на тот процессор, который выполнит инструкцию disable. Остальные процессоры продолжат работу и получат доступ к разделенным данным.

С другой стороны, для ядра характерно запрещение прерываний для некоторых команд при работе с переменными или списками. Возникновение прерываний в момент, когда, например, список готовых процессов находится в неопределенном состоянии, могло бы привести к состоянию состязания. Итак, запрет прерываний бывает полезным в самой операционной системе, но это решение неприемлемо в качестве механизма взаимного исключения для пользовательских процессов.

Переменные блокировки.

Теперь попробуем найти программное решение. Рассмотрим одну совместную переменную блокировки, изначально равную 0. Если процесс хочет попасть в критическую область, он предварительно считывает значение переменной блокировки. Если переменная равна 0, то процесс заменят ее значение на 1 и входит в критическую область. Если же переменная равна 1, то процесс ждет, пока ее значение сменится на 0. Таким образом, 0 означает, что ни одного процесса в критической области нет, а 1 означает, что какой либо процесс находится в критической области.

У этого метода есть свои проблемы. Представим, что один процесс считывает переменную блокировки, обнаруживает, что она равна 0, но прежде, чем он успевает заменить ее на 1, управление получает другой процесс, успешно заменяющий ее на 1. Когда первый процесс снова получит управление, то он тоже заменит значение переменной блокировки на 1 и два процесса одновременно окажутся в критических областях.

Строгое чередование.

На рисунке целая переменная turn, изначально равная 0, отслеживает, чья очередь входить в критическую область. Вначале процесс 0 проверяет значение turn, считывает 0 и входит в критическую область. Процесс 1 также считывает значение turn, считывает 0 и после этого входит в цикл, непрерывно проверяя, когда значение turn будет равно 1. Постоянная проверка значения переменной в ожидании некоторого значения называется активным ожиданием. Данный способ является бесцельной тратой времени процессора. Активное ожидание используется только в случае, когда есть уверенность в небольшом времени ожидания. Блокировка, использующая активное ожидание, называется спин-блокировкой.

Когда процесс 0 покидает критическую область, он изменяет значение turn на 1, позволяя процессу 1 попасть в критическую область.
Фактически этот метод требует, чтобы два процесса попадали в критическую область строго по очереди. Не один из них не может попасть в критическую секцию (например, послать файл на печать) два раза подряд.

Алгоритм Петерсона.

Перед тем как обратиться к совместно используемым переменным (то есть перед тем, как войти в критическую область), процесс вызывает процедуру enter_region со своим номером (0 или 1) в качестве параметра. Поэтому процессу при необходимости придется подождать, прежде чем входить в критическую область. После выхода из критической области процесс вызывает процедуру leave_region, чтобы обозначить свой выход и тем самым разрешить другому процессу вход в критическую область.

Команда TSL.

Рассмотрим решение, требующее аппаратного обеспечения. Многие компьютеры, особенно разработанные с расчетом на несколько процессоров, имеют команду

TSL RX.LOCK

(Test and Set Lock), которая действует следующим образом. В регистр RX считывается содержимое слова памяти lock, а в ячейке памяти lock хранится некоторое ненулевое значение. Гарантируется, что операция считывания слова и сохранения неделима - другой процесс не может обратиться к слову в памяти, пока команда не выполнена. Процессор, выполняющий команду TSL, блокирует шину памяти, чтобы остальные процессоры не могли обратиться к памяти.

Рассмотрим пример использования команды TSL для взаимного исключения.

Прежде чем попасть в критическую область, процесс вызывавает процедуру enter_region, которая выполняет активное ожидание вплоть до снятия блокировки, затем она устанавливает блокировку и возвращается. При выходе из критической области процесс вызывает процедуру leave_region, помещающую 0 в переменную lock. Как и в остальных способах решения проблемы критической области, для корректной работы процесс должен вызвать эти процедуры своевремнно, в противном случае взаимное исключение не удастся.