Проблема синхронізації

Базові механізми синхронізації потоків

Механізмами синхронізації є засоби операційної системи, які допомагають розв'язувати основне завдання синхронізації — забезпечувати координацію потоків, які працюють зі спільно використовуваними даними. Якщо такі засоби — це мінімальні блоки для побудови багатопотокових програм, їх називають синхронізаційними примітивами.

Синхронізаційні механізми поділяють на такі основні категорії:

• універсальні, низького рівня, які можна використовувати різними способами (семафори);

• прості, низького рівня, кожен з яких пристосований до розв'язання тільки однієї задачі (м'ютекси та умовні змінні);

• універсальні високого рівня, виражені через прості; до цієї групи належить концепція монітора, яка може бути виражена через м'ютекси та умовні змінні;

• високого рівня, пристосовані до розв'язання конкретної синхронізаційної задачі (блокування читання-записування і бар'єри).

Семафори

Семафори є найстарішими синхронізаційними примітивами з числа тих, які застосовуються на практиці.

Семафор — це спільно використовуваний невід'ємний цілочисловий лічильник, для якого задано початкове значення і визначено такі атомарні операції.

• Зменшення семафора (down): якщо значення семафора більше від нуля, його зменшують на одиницю, якщо ж значення дорівнює нулю, цей потік переходить у стан очікування доти, поки воно не стане більше від нуля (кажуть, що потік «очікує на семафорі» або «заблокований на семафорі»). Цю операцію називають також очікуванням — wait.

• Збільшення семафора (up): значення семафора збільшують на одиницю; коли при цьому є потоки, які очікують на семафорі, один із них виходить із очікування і виконує свою операцію down. Якщо на семафорі очікують кілька потоків, то внаслідок виконання операції up його значення залишається нульовим, але один із потоків продовжує виконання (у більшості реалізацій вибір цього потоку буде випадковим). Цю операцію також називають сигналізацією — post.

Фактично значення семафора визначає кількість потоків, що може пройти через цей семафор без блокування. Коли для семафора задане нульове початкове значення, то він блокуватиме всі потоки доти, поки якийсь потік його не «відкриє», виконавши операцію up. Операції up і down можуть бути виконані будь-якими потоками, що мають доступ до семафора.

М'ютекси

М'ютексом називають синхронізаційний примітив, що не допускає виконання деякого фрагмента коду більш як одним потоком. Фактично м'ютекс є реалізацією блокування на рівні ОС.

М'ютекс реалізує взаємне виключення. Його основне завдання — блокувати всі потоки, які намагаються отримати доступ до коду, коли цей код уже виконує деякий потік.

М'ютекс може перебувати у двох станах: вільному і зайнятому. Початковим станом є «вільний». Над м'ютексом можливі дві атомарні операції.

1. Зайняти м'ютекс (mutex_lоск): якщо м'ютекс був вільний, він стає зайнятим, і потік продовжує своє виконання (входячи у критичну секцію); якщо м'ютекс був зайнятий, потік переходить у стан очікування (кажуть, що потік «очікує на м'ютексі», або «заблокований на м'ютексі»), виконання продовжує інший потік.

2. Звільнити м'ютекс: м'ютекс стає вільним; якщо на ньому очікують кілька потоків, з них вибирають один, він починає виконуватися, займає м'ютекс і входить у критичну секцію. У більшості реалізацій вибір потоку буде випадковим. Звільнити м'ютекс може тільки його власник.