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.