Книга: Архитектура операционной системы UNIX

12.3.2 Реализация семафоров

12.3.2 Реализация семафоров

Дийкстра [Dijkstra 65] показал, что семафоры можно реализовать без использования специальных машинных инструкций. На Рисунке 12.6 представлены реализующие семафоры функции, написанные на языке Си. 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 ресурсом (в качестве доказательства сошлемся на [Dijkstra 65] и [Coffman 73]). 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 amp;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 (Рисунок 12.7). 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 12.3.1.

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;
}

Рисунок 12.6. Реализация семафорной блокировки на Си

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. В начале выполнения алгоритма операции P (Рисунок 12.8) 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 (глава 6): 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. Операция V (Рисунок 12.9) получает исключительный доступ к семафору через функцию Pprim и увеличивает значение семафора. Если очередь приостановленных по семафору процессов непуста, 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.

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;
}

Рисунок 12.7. Операции над семафором, использующие инструкцию read_and_clear

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 (Рисунок 12.10). 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.

алгоритм 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 сигналу, принятому в режиме ядра
{
 Pprim(semaphore.lock);
 уменьшить (semaphore.value);
 if (semaphore.value ›= 0) {
  Vprim(semaphore.lock);
  return (0);
 }
 /* следует перейти в состояние приостанова */
 if (проверяются сигналы) {
  if (имеется сигнал, прерывающий нахождение в состоянии приостанова) {
   увеличить (semaphore.value);
   if (сигнал принят в режиме ядра) {
    Vprim(semaphore.lock);
    return(-1);
   }
   else {
    Vprim(semaphore.lock);
    longjmp;
   }
  }
 }
 поставить процесс в конец списка приостановленных по семафору;
 Vprim(semaphore.lock);
 выполнить переключение контекста;
 проверить сигналы (см. выше);
 return(0);
}

Рисунок 12.8. Алгоритм выполнения операции P

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.

алгоритм V /* операция над семафором типа V */
входная информация: адрес семафора
выходная информация: отсутствует
{
 Pprim(semaphore.lock);
 увеличить (semaphore.value);
 if (semaphore.value ‹= 0) {
  удалить из списка процессов, приостановленных по семафору, первый по счету процесс;
  перевести его в состояние готовности к запуску;
 }
 Vprim(semaphore.lock);
}

Рисунок 12.9. Алгоритм выполнения операции V

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 12.11, 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 (см. Рисунок 12.12): 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:

Рисунок 12.10. Неудачное имитация функции wakeup при использовании операции V

Рисунок 12.11. Возникновение тупиковой ситуации из-за смены очередности блокирования

Рисунок 12.12. Использование операции P условного типа для предотвращения взаимной блокировки

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 12.13. 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.

Рисунок 12.13. Взаимная блокировка при выполнении программы обработки прерывания

Оглавление книги