Семафоры

3.3 Семафоры

Поддержка операционной системы в многопроцессорной конфигурации может включать в себя разбиение ядра системы на критические участки, параллельное выполнение которых на нескольких процессорах не допускается. Нижеследующие рассуждения помогают понять суть данной особенности. При ближайшем рассмотрении сразу же возникают два вопроса: как использовать семафоры и где определить критические участки.

Если при выполнении критического участка программы процесс приостанавливается, для защиты участка от посягательств со стороны других процессов алгоритмы работы ядра однопроцессорной операционной системы используют блокировку.

Механизм установления блокировки:

/* операция проверки */

выполнять пока (блокировка установлена)

{

приостановиться (до снятия блокировки);

};

установить блокировку;

Механизм снятия блокировки:

снять блокировку;

вывести из состояния приостанова все процессы, приостановленные в результате блокировки;

Блокировки такого рода охватывают некоторые критические участки, но не работают в многопроцессорных системах, что видно из приведенного рисунка:

Предположим, что блокировка снята, и что два процесса на разных процессорах одновременно пытаются проверить ее наличие и установить ее. В момент t они обнаруживают снятие блокировки, устанавливают ее вновь, вступают в критический участок и создают опасность нарушения целостности структур данных ядра. В условии одновременности имеется отклонение: механизм не сработает, если перед тем, как процесс выполняет операцию проверки, ни один другой процесс не выполнил операцию установления блокировки. Если, например, после обнаружения снятия блокировки процессор A обрабатывает прерывание и в этот момент процессор B выполняет проверку и устанавливает блокировку, по выходе из прерывания процессор A так же установит блокировку. Чтобы предотвратить возникновение подобной ситуации, нужно сделать так, чтобы процедура блокирования была неделимой: проверку наличия блокировки и ее установку следует объединить в одну операцию, чтобы в каждый момент времени с блокировкой имел дело только один процесс.

3.3.1 Определение семафоров

Семафор представляет собой обрабатываемый ядром целочисленный объект, для которого определены следующие элементарные (неделимые) операции:

·     Инициализация семафора, в результате которой семафору присваивается неотрицательное значение;

·     Операция типа P, уменьшающая значение семафора. Если значение семафора опускается ниже нулевой отметки, выполняющий операцию процесс приостанавливает свою работу;

·     Операция типа V, увеличивающая значение семафора. Если значение семафора в результате операции становится больше или равно 0, один из процессов, приостановленных во время выполнения операции P, выходит из состояния приостанова;

·     Условная операция типа P, сокращенно CP (conditional P), уменьшающая значение семафора и возвращающая логическое значение "истина" в том случае, когда значение семафора остается положительным. Если в результате операции значение семафора должно стать отрицательным или нулевым, никаких действий над ним не производится и операция возвращает логическое значение "ложь".

Определенные таким образом семафоры, безусловно, никак не связаны с семафорами пользовательского уровня.

3.3.2 Реализация семафоров

Дийкстра показал, что семафоры можно реализовать без использования специальных машинных инструкций. Здесь представлены реализующие семафоры функции, написанные на языке Си.

struct semaphore

{

int val[NUMPROCS]; /* замок - 1 элемент на каждый процессор */

int lastid; /* идентификатор процессора, получившего семафор последним */

};

int procid; /* уникальный идентификатор процессора */

int lastid; /* идентификатор процессора, получившего семафор последним */

Init(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

int i;

for (i = 0; i < NUMPROCS; i++)

semaphore.val[i] = 0;

}

Pprim(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

int i,first;

loop:

first = lastid;

semaphore.val[procid] = 1;

forloop:

for (i = first; i < NUMPROCS; i++)

{

if (i == procid)

{

semaphore.val[i] = 2;

for (i = 1; i < NUMPROCS; i++)

if (i != procid && semaphore.val[i] == 2)

goto loop;

lastid = procid;

return;

/* успешное завершение, ресурс можно использовать */

}

else if (semaphore.val[i])

goto loop;

}

first = 1;

goto forloop;

}

Vprim(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

lastid = (procid + 1) % NUMPROCS; /* на следующий процессор */

semaphore.val[procid] = 0;

}

Функция Pprim блокирует семафор по результатам проверки значений, содержащихся в массиве val; каждый процессор в системе управляет значением одного элемента массива. Прежде чем заблокировать семафор, процессор проверяет, не заблокирован ли уже семафор другими процессорами (соответствующие им элементы в массиве val тогда имеют значения, равные 2), а также не предпринимаются ли попытки в данный момент заблокировать семафор со стороны процессоров с более низким кодом идентификации (соответствующие им элементы имеют значения, равные 1). Если любое из условий выполняется, процессор переустанавливает значение своего элемента в 1 и повторяет попытку. Когда функция Pprim открывает внешний цикл, переменная цикла имеет значение, на единицу превышающее код идентификации того процессора, который использовал ресурс последним, тем самым гарантируется, что ни один из процессоров не может монопольно завладеть. Функция Vprim освобождает семафор и открывает для других процессоров возможность получения исключительного доступа к ресурсу путем очистки соответствующего текущему процессору элемента в массиве val и перенастройки значения lastid. Чтобы защитить ресурс, следует выполнить следующий набор команд:

Pprim(семафор);

команды использования ресурса;

Vprim(семафор);

В большинстве машин имеется набор элементарных (неделимых) инструкций, реализующих операцию блокирования более дешевыми средствами, ибо циклы, входящие в функцию Pprim, работают медленно и снижают производительность системы. Так, например, в машинах серии IBM 370 поддерживается инструкция compare and swap (сравнить и переставить), в машине AT&T 3B20 - инструкция read and clear (прочитать и очистить). При выполнении инструкции read and clear процессор считывает содержимое ячейки памяти, очищает ее (сбрасывает в 0) и по результатам сравнения первоначального содержимого с 0 устанавливает код завершения инструкции. Если ту же инструкцию над той же ячейкой параллельно выполняет еще один процессор, один из двух процессоров прочитает первоначальное содержимое, а другой - 0: неделимость операции гарантируется аппаратным путем. Таким образом, за счет использования данной инструкции функцию Pprim можно было бы реализовать менее сложными средствами:

struct semaphore

{

int lock;

};

Init(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

semaphore.lock = 1;

}

Pprim(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

while (read_and_clear(semaphore.lock));

}

Vprim(semaphore)

struct semaphore semaphore;

{

semaphore.lock = 1;

}

Процесс повторяет инструкцию read and clear в цикле до тех пор, пока не будет считано значение, отличное от нуля. Начальное значение компоненты семафора, связанной с блокировкой, должно быть равно 1. Как таковую, данную семафорную конструкцию нельзя реализовать в составе ядра операционной системы, поскольку работающий с ней процесс не выходит из цикла, пока не достигнет своей цели. Если семафор используется для блокирования структуры данных, процесс, обнаружив семафор заблокированным, приостанавливает свое выполнение, чтобы ядро имело возможность переключиться на контекст другого процесса и выполнить другую полезную работу. С помощью функций Pprim и Vprim можно реализовать более сложный набор семафорных операций, соответствующий тому составу, который определен в разделе “Определение семафоров”. Для начала дадим определение семафора как структуры, состоящей из поля блокировки (управляющего доступом к семафору), значения семафора и очереди процессов, приостановленных по семафору. Поле блокировки содержит информацию, открывающую во время выполнения операций типа P и V доступ к другим полям структуры только одному процессу. По завершении операции значение поля сбрасывается. Это значение определяет, разрешен ли процессу доступ к критическому участку, защищаемому семафором.

Алгоритм операции P:

/*

Операция над семафором типа P

входная информация:

(1) семафор;

(2) приоритет;

выходная информация:

0 - в случае нормального завершения;

1 - в случае аварийного выхода из состояния приостанова по cигналу, принятому в режиме ядра;

*/

{

Pprim(semaphore.lock);

уменьшить (semaphore.value);

если (semaphore.value >= 0)

{

Vprim(semaphore.lock); вернуть (0);

}

/* следует перейти в состояние приостанова */

если (проверяются сигналы)

{

если (имеется сигнал, прерывающий нахождение в состоянии приостанова)

увеличить (semaphore.value);

если (сигнал принят в режиме ядра)

{

Vprim(semaphore.lock);

вернуть (-1);

}

в противном случае

{

Vprim(semaphore.lock);

longjmp;

}

}

}

поставить процесс в конец списка приостановленных по семафору;

Vprim(semaphore.lock);

выполнить переключение контекста;

проверить сигналы (см. выше);

вернуть (0);

}

В начале выполнения алгоритма операции P ядро с помощью функции Pprim предоставляет процессу право исключительного доступа к семафору и уменьшает значение семафора. Если семафор имеет неотрицательное значение, текущий процесс получает доступ к критическому участку. По завершении работы процесс сбрасывает блокировку семафора (с помощью функции Vprim), открывая доступ к семафору для других процессов, и возвращает признак успешного завершения. Если же в результате уменьшения значение семафора становится отрицательным, ядро приостанавливает выполнение процесса, используя алгоритм, подобный алгоритму sleep: основываясь на значении приоритета, ядро проверяет поступившие сигналы, включает текущий процесс в список приостановленных процессов, в котором последние представлены в порядке поступления, и выполняет переключение контекста.

Алгоритм V

/*

Операция над семафором типа V

входная информация: адрес семафора

выходная информация: отсутствует

*/

{

Pprim(semaphore.lock);

увеличить (semaphore.value);

если (semaphore.value <= 0)

{

удалить из списка процессов, приостановленных по семафору, первый по счету процесс;

перевести его в состояние готовности к запуску;

}

Vprim(semaphore.lock);

}

Операция V получает исключительный доступ к семафору через функцию Pprim и увеличивает значение семафора. Если очередь приостановленных по семафору процессов непустая, ядро выбирает из нее первый процесс и переводит его в состояние "готовности к запуску". Операции P и V по своему действию похожи на функции sleep и wakeup. Главное различие между ними состоит в том, что семафор является структурой данных, тогда как используемый функциями sleep и wakeup адрес представляет собой всего лишь число. Если начальное значение семафора - нулевое, при выполнении операции P над семафором процесс всегда приостанавливается, поэтому операция P может заменять функцию sleep. Операция V, тем не менее, выводит из состояния приостанова только один процесс, тогда как однопроцессорная функция wakeup возобновляет все процессы, приостановленные по адресу, связанному с событием. С точки зрения семантики использование функции wakeup означает: данное системное условие более не удовлетворяется, следовательно, все приостановленные по условию процессы должны выйти из состояния приостанова. Так, например, процессы, приостановленные в связи с занятостью буфера, не должны дальше пребывать в этом состоянии, если буфер больше не используется, поэтому они возобновляются ядром. Еще один пример: если несколько процессов выводят данные на терминал с помощью функции write, терминальный драйвер может перевести их в состояние приостанова в связи с невозможностью обработки больших объемов информации. Позже, когда драйвер будет готов к приему следующей порции данных, он возобновит все приостановленные им процессы. Использование операций P и V в тех случаях, когда устанавливающие блокировку процессы получают доступ к ресурсу поочередно, а все остальные процессы - в порядке поступления запросов, является более предпочтительным. В сравнении с однопроцессорной процедурой блокирования (sleep-lock) данная схема обычно выигрывает, так как если при наступлении события все процессы возобновляются, большинство из них может вновь наткнуться на блокировку и снова перейти в состояние приостанова. С другой стороны, в тех случаях, когда требуется вывести из состояния приостанова все процессы одновременно, использование операций P и V представляет известную сложность. Если операция возвращает значение семафора, является ли она эквивалентной функции wakeup?

while (value(semaphore) < 0)

{

V(semaphore);

};

Если вмешательства со стороны других процессов нет, ядро повторяет цикл до тех пор, пока значение семафора не станет больше или равно 0, ибо это означает, что в состоянии приостанова по семафору нет больше ни одного процесса. Тем не менее, нельзя исключить и такую возможность, что сразу после того, как процесс A при тестировании семафора на одноименном процессоре обнаружил нулевое значение семафора, процесс B на своем процессоре выполняет операцию P, уменьшая значение семафора до –1.

Процесс A продолжит свое выполнение, думая, что им возобновлены все приостановленные по семафору процессы. Таким образом, цикл выполнения операции не дает гарантии возобновления всех приостановленных процессов, поскольку он не является элементарным. Рассмотрим еще один феномен, связанный с использованием семафоров в однопроцессорной системе. Предположим, что два процесса, A и B, конкурируют за семафор. Процесс A обнаруживает, что семафор свободен и что процесс B приостановлен; значение семафора равно -1. Когда с помощью операции V процесс A освобождает семафор, он выводит тем самым процесс B из состояния приостанова и вновь делает значение семафора нулевым. Теперь предположим, что процесс A, по-прежнему выполняясь в режиме ядра, пытается снова заблокировать семафор. Производя операцию P, процесс приостановится, поскольку семафор имеет нулевое значение, несмотря на то, что ресурс пока свободен. Системе придется "раскошелиться" на дополнительное переключение контекста. С другой стороны, если бы блокировка была реализована на основе однопроцессорной схемы (sleep-lock), процесс A получил бы право на повторное использование ресурса, поскольку за это время ни один из процессов не смог бы заблокировать его. Для этого случая схема sleep-lock более подходит, чем схема с использованием семафоров. Когда блокируются сразу несколько семафоров, очередность блокирования должна исключать возникновение тупиковых ситуаций. В качестве примера рассмотрим два семафора, A и B, и два алгоритма, требующих одновременной блокировки семафоров. Если бы алгоритмы устанавливали блокировку на семафоры в обратном порядке, как следует из рисунка,

последовало бы возникновение тупиковой ситуации; процесс A на одноименном процессоре захватывает семафор SA, в то время как процесс B на своем процессоре захватывает семафор SB. Процесс A пытается захватить и семафор SB, но в результате операции P переходит в состояние приостанова, поскольку значение семафора SB не превышает 0. То же самое происходит с процессом B, когда последний пытается захватить семафор SA. Ни тот, ни другой процессы продолжаться уже не могут. Для предотвращения возникновения подобных ситуаций используются соответствующие алгоритмы обнаружения опасности взаимной блокировки, устанавливающие наличие опасной ситуации и ликвидирующие ее. Тем не менее, использование таких алгоритмов "утяжеляет" ядро. Поскольку число ситуаций, в которых процесс должен одновременно захватывать несколько семафоров, довольно ограничено, легче было бы реализовать алгоритмы, предупреждающие возникновение тупиковых ситуаций еще до того, как они будут иметь место. Если, к примеру, какой-то набор семафоров всегда блокируется в одном и том же порядке, тупиковая ситуация никогда не возникнет. Но в том случае, когда захвата семафоров в обратном порядке избежать не удается, операция CP предотвратит возникновение тупиковой ситуации:

если операция завершится неудачно, процесс B освободит свои ресурсы, дабы избежать взаимной блокировки, и позже запустит алгоритм на выполнение повторно, скорее всего, тогда, когда процесс A завершит работу с ресурсом. Чтобы предупредить одновременное обращение процессов к ресурсу, программа обработки прерываний, казалось бы, могла воспользоваться семафором, но из-за того, что она не может приостанавливать свою работу (см. главу 6), использовать операцию P в этой программе нельзя. Вместо этого можно использовать "циклическую блокировку" (spin lock) и не переходить в состояние приостанова, как в следующем примере:

while (! CP(semaphore));

Операция повторяется в цикле до тех пор, пока значение семафора не превысит 0; программа обработки прерываний не приостанавливается и цикл завершается только тогда, когда значение семафора станет положительным, после чего это значение будет уменьшено операцией CP. Чтобы предотвратить ситуацию взаимной блокировки, ядру нужно запретить все прерывания, выполняющие "циклическую блокировку". Иначе выполнение процесса, захватившего семафор, будет прервано еще до того, как он сможет освободить семафор; если программа обработки прерываний попытается захватить этот семафор, используя "циклическую блокировку", ядро заблокирует само себя. В качестве примера обратимся к рисунку:

В момент возникновения прерывания значение семафора не превышает 0, поэтому результатом выполнения операции CP всегда будет "ложь". Проблема решается путем запрещения всех прерываний на то время, пока семафор захвачен процессом.