Обмен технологиями

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

04.07.2024: Примечания к исследованию синхронизации операционной системы и взаимного исключения

---

Параллельные процессы или программы потеряют свое закрытие при выполнении. То есть, если две программы используют общий ресурс в разных областях, результаты каждого запуска могут быть разными.

Причина в том, что мы не защитили общий ресурс x, к которому должны иметь доступ как программа a, так и программа b.

---

9.1 Основные понятия синхронизации и взаимного исключения

9.1.1 Отношения синхронизации

Взаимно ограничивающие отношения — это синхронизация. Простое понимание синхронизации заключается в том, что в выполнении процессов должен быть порядок.

---

9.1.2 Взаимоисключающие отношения

Отношения, которые косвенно ограничивают друг друга, называются взаимоисключающими отношениями, например принтер.

---

9.1.3 Критические ресурсы

• Ресурсы, к которым в течение определенного периода времени разрешен доступ только одному процессу, называются критическими ресурсами (или эксклюзивными ресурсами).
• Для совместного использования критически важных ресурсов между процессами следует использовать взаимное исключение.

«Модель производителя и потребителя»
счетчик+ +

首先把变量放到寄存器里面
register1 = counter;
接下来对寄存器进行一个自增
register1 = register1 + 1;
再把结果返回到counter里
counter = register1;
1
2
3
4
5
6

прилавок- -

首先把变量放到寄存器里面
register2 = counter;
接下来对寄存器进行一个自减
register2 = register2 - 1;
再把结果返回到counter里
counter = register2;
1
2
3
4
5
6

Решение: рассматривать счетчик как критический ресурс и разрешить процессу взаимный доступ к переменной счетчика (механизм синхронизации вы узнаете позже).

---

9.1.4 Критический раздел

Независимо от того, является ли это критически важным ресурсом оборудования или критически важным ресурсом программного обеспечения, несколько процессов должны иметь взаимный доступ к нему.

Эти области по сути являются кодами

• Входная зона
• критическая секция
• Зона выхода
• оставшаяся площадь

---

9.1.5 Механизмы синхронизации должны подчиняться правилам

• Бесплатно впустить

Когда в критическом разделе нет процесса, это указывает на то, что ресурсы критического раздела простаивают. Процессу, который запрашивает вход в критический раздел, должно быть разрешено немедленно войти в свой собственный критический раздел для эффективного использования ресурсов.

• Если ты занят, подожди

Когда существующий процесс входит в критическую секцию, это указывает на то, что к критическому ресурсу осуществляется доступ. Поэтому другие процессы, пытающиеся войти в критическую секцию, должны ждать, чтобы обеспечить взаимоисключающий доступ к критическому ресурсу.

• ограниченное ожидание

Для процессов, которым требуется доступ к критически важным ресурсам, они должны гарантировать, что они могут войти в свою собственную критическую секцию в течение ограниченного времени, чтобы избежать перехода в состояние «ожидания смерти».

• уступить дорогу и подождать

Когда процесс не может войти в свою критическую секцию, процессор (ЦП) следует немедленно освободить, чтобы предотвратить переход процесса в состояние «занятого ожидания».

---

9.2 Механизм синхронизации программного обеспечения

9.2.1 Метод одной оценки

• Установите общедоступную целочисленную переменную, чтобы указать, есть ли процесс в критическом разделе. Если в критическом разделе уже есть процесс, он будет ожидать циклической проверки в области входа. После того, как процесс покинет критический раздел, устанавливается флаг. будет изменен в области выхода.
• Метод с одним флагом устанавливает общедоступную целочисленную переменную поворот, чтобы указать номер процесса, которому разрешено войти в критическую секцию. Когда поворот = 0, процессу P0 разрешено войти в критическую секцию.
• При повороте=1 процессу Р1 разрешается войти в критическую секцию, а при выходе из критической секции право использования критической секции дается другому процессу (когда Пи выходит из критической секции, пусть поворот=j)

两个进程必须交替进入临界区，若一个进程不再进入临界区，则另一个进程也无法进入临界区，违背了“空闲让进”准则

---

9.2.2 Метод первой проверки с двойной маркировкой

Метод первой проверки с двойным флагом устанавливает логический флаг массива[2] для обозначения готовности каждого процесса войти в критическую секцию. Флаг[i]=true означает, что Pi хочет войти в критическую секцию.

• Прежде чем Пи войдет в критическую секцию, сначала проверьте, вошла ли другая сторона в критическую секцию. Если да, подождите.
• В противном случае установите для флага [i] значение true перед входом в критическую секцию.
• Когда Pi выйдет из критической секции, установите для флага [i] значение false.

• Цикл while эквивалентен механизму светофора.
• Установка флага другой стороны эквивалентна смене светофора другой стороны.
• Однако, поскольку оба процесса сначала проверяют флаг [сначала посмотрите на светофор], и оба изначально являются ложными [оба зелёных света], возможно, что два процесса пройдут светофор одновременно и вместе войдут в критическую секцию. .

---

9.2.3 Метод последующей проверки с двойной маркировкой

Метод пост-проверки с двойным флагом проверяет флаг другой стороны, а затем устанавливает свой собственный. Эти две операции нельзя выполнить за один раз, поэтому два процесса могут войти в критическую секцию одновременно. Поэтому пост-проверка. был разработан метод, который сначала устанавливает собственный флаг, а затем проверяет флаг другой стороны, если флаг другой стороны верен, подождите, иначе войдите в критическую секцию;

---

9.2.4 Алгоритм Петерсона

Алгоритм Петерсона сочетает в себеметод одной отметкииМетод пост-проверки с двойной оценкойИдея состоит в том, чтобы использовать flag[] для решения проблемы взаимоисключающего доступа и использовать поворот для решения проблемы нехватки ресурсов.

Если обе стороны конкурируют за вход в критическую секцию, процесс можно разрешить, чтобы дать другой стороне возможность войти в критическую секцию.
Прежде чем каждый процесс входит в критическую секцию, он устанавливает свой собственный флаг и устанавливает флаг поворота, которому разрешен вход. После этого он одновременно обнаруживает флаг и поворот другой стороны, чтобы гарантировать, что только одному процессу разрешен вход. обе стороны одновременно запрашивают вход в критическую секцию.

Невозможность отказаться от права ждать

---

9.3 Механизм аппаратной синхронизации

Программному обеспечению сложно решить проблему взаимного исключения входа каждого процесса в критическую секцию, и оно имеет большие ограничения. Поэтому компьютер предоставляет некоторые специальные аппаратные инструкции для решения этой проблемы.

9.3.1 Отключение прерываний

(1) Определение отключения прерываний

• Отключение прерываний обсуждалось в принципах компоновки компьютеров. Это относится к изменению бита в регистре PSW в ЦП. Этот бит будет контролировать, будет ли текущий ЦП реагировать на соответствующее прерывание. Это прерывание может блокировать только маскируемые прерывания. Немаскируемые прерывания не могут быть остановлены
• Планирование процессов в операционной системе основано на прерываниях, например тактовых прерываниях.
• Во время выполнения процесса в критической секции компьютерная система отключает прерывания, которые не запускают планирование и не происходит переключения процессов или потоков.

(2) Недостатки отключения прерываний

• Неправильное использование терминалов может привести к серьезным последствиям
• Если время выключения слишком велико, это повлияет на эффективность системы.
• Метод отключения прерываний не применим к многопроцессорным системам. Отключение прерываний на одном процессоре не мешает процессу выполнять тот же критический код на других процессорах.

---

9.3.2 Команда «Тестирование и установка» (команда TS)

Инструкцию TS можно рассматривать как функциональный процесс (примитив), процесс выполнения которого неделим.

• замок имеет два состояния:
• • *lock=FALSE указывает, что ресурс свободен.
• • *lock=TRUE указывает, что ресурс используется.

Используйте TS для управления критическими разделами и установки блокировки для каждого критического ресурса.

• Начальное значение — FALSE, что указывает на то, что критические ресурсы простаивают.
• Прежде чем процесс войдет в критическую секцию, он сначала использует TS для проверки блокировки. Если она имеет значение FALSE, он может войти и присвоить блокировке значение TRUE, закрывая критический ресурс.

---

9.3.3 Команда обмена

Она называется инструкцией замены и используется для обмена содержимым двух слов.

• Установите глобальную блокировку логической переменной для каждого критического ресурса с начальным значением FALSE.
• Используйте приведенные выше аппаратные инструкции для завершения процесса взаимного исключения.
• Однако этот метод также приведет к тому, что процесс доступа будет постоянно тестироваться и находиться в состоянии «ожидания занятости», что не соответствует принципу «ожидания правого доступа».

---

9.4 Механизм семафора

9.4.1 Целочисленный семафор

Он определяется как целое число S, используемое для представления количества ресурсов. Для этого целочисленного семафора есть только три операции: инициализация (присвоение начального значения), ожидание (уменьшение), сигнал (приращение).

• И ожидание, и сигнал являются атомарными операциями и не могут быть прерваны во время выполнения.
• Когда процесс изменяет семафор, никакой другой процесс не может одновременно изменить семафор.

---

9.4.2 Запись семафора

Механизм синхронизации процессов без явления «занятого ожидания»

• В дополнение к целочисленному значению переменной, используемому для представления количества ресурсов
• Также необходимо добавить связанный список процессов L, чтобы связать все процессы, ожидающие ресурса.

• Операция ожидания эквивалентна операции P.
• Сигнальная операция эквивалентна операции V.
• Просто два разных названия, функции абсолютно одинаковые
• ждать(А) = Р(А)
• сигнал(B) = V(A)

---

(1) Используйте семафор для реализации взаимного исключения процессов.

Установите взаимоисключающий семафорный мьютекс = 1, а затем поместите критическую секцию для каждого процесса для доступа к критическим ресурсам между ожиданием (мьютекс) и сигналом (мьютекс).

---

(2) Используйте семафоры для синхронизации процессов.

Установите семафор синхронизации S=0, чтобы сначала выполнялся сигнал оператора(S), а затем ожидание(S).