Критическая секция

Важным понятием при изучении способов синхронизации процессов является понятие критической секции (critical section) программы. Критическая секция – это часть программы, исполнение которой может привести к возникновению race condition для определенного набора программ. Чтобы исключить эффект гонок по отношению к некоторому ресурсу, необходимо организовать работу так, чтобы в каждый момент времени только один процесс мог находиться в своей критической секции, связанной с этим ресурсом. Иными словами, необходимо обеспечить реализацию взаимоисключения для критических секций программ. Реализация взаимоисключения для критических секций программ с практической точки зрения означает, что по отношению к другим процессам, участвующим во взаимодействии, критическая секция начинает выполняться как атомарная операция. Давайте рассмотрим следующий пример, в котором псевдопараллельные взаимодействующие процессы представлены действиями различных студентов (таблица 5.1):
Здесь критический участок для каждого процесса – от операции "Обнаруживает, что хлеба нет" до операции "Возвращается в комнату" включительно. В результате отсутствия взаимоисключения мы из ситуации "Нет хлеба" попадаем в ситуацию "Слишком много хлеба". Если бы этот критический участок выполнялся как атомарная операция – "Достает два батона хлеба", то проблема образования излишков была бы снята.
Таблица 5.1.
Время
Студент 1
Студент 2
Студент 3
17-05
Приходит в комнату


17-07
Обнаруживает,что хлеба нет


17-09
Уходит в магазин


17-11

Приходит в комнату

17-13

Обнаруживает, что хлеба нет

17-15

Уходит в магазин

17-17


Приходит в комнату
17-19


Обнаруживает,что хлеба нет
17-21


Уходит в магазин
17-23
Приходит в магазин


17-25
Покупает 2 батона на всех


17-27
Уходит из магазина


17-29

Приходит в магазин

17-31

Покупает 2 батона на всех

17-33

Уходит из магазина

17-35


Приходит в магазин
17-37


Покупает 2 батона на всех
17-39


Уходит из магазина
17-41
Возвращается в комнату


17-43



17-45



17-47

Возвращается в комнату

17-49



17-51



17-53


Возвращается в комнату
Сделать процесс добывания хлеба атомарной операцией можно было бы следующим образом: перед началом этого процесса закрыть дверь изнутри на засов и уходить добывать хлеб через окно, а по окончании процесса вернуться в комнату через окно и отодвинуть засов. Тогда пока один студент добывает хлеб, все остальные находятся в состоянии ожидания под дверью (таблица 5.2).
Таблица 5.2.
Время
Студент 1
Студент 2
Студент 3
17-05
Приходит в комнату


17-07
Достает два батона хлеба


17-43

Приходит в комнату

17-47


Приходит в комнату
Итак, для решения задачи необходимо, чтобы в том случае, когда процесс находится в своем критическом участке, другие процессы не могли войти в свои критические участки. Мы видим, что критический участок должен сопровождаться прологом (entry section) – "закрыть дверь изнутри на засов" – и эпилогом (exit section) – "отодвинуть засов", которые не имеют отношения к активности одиночного процесса. Во время выполнения пролога процесс должен, в частности, получить разрешение на вход в критический участок, а во время выполнения эпилога – сообщить другим процессам, что он покинул критическую секцию.
В общем случае структура процесса, участвующего во взаимодействии, может быть представлена следующим образом:
while (some condition) {
entry section
critical section
exit section
remainder section
}
Здесь под remainder section понимаются все атомарные операции, не входящие в критическую секцию.
Оставшаяся часть этой лекции посвящена различным способам программной организации пролога и эпилога критического участка в случае, когда очередность доступа к критическому участку не имеет значения.