Ю. Вахалия - UNIX изнутри (2003) (1114670), страница 70
Текст из файла (страница 70)
7.4.2. Проблема быстрого роста При освобождении ресурса нитью происходит пробуждение всех остальных нитей, ожидавших объект. При этом только одна из них может занять ресурс, в то время как остальные нити обнаружат его заблокированным и снова перейдут в режим ожидания. Такой подход приводит к дополнительной загрузке системы, тратящей определенное время на возобновление работы нитей и контекстные переключения. Описанная проблема не фатальна для однопроцессорных систем, поскольку в олин момент времени текущим является только одна нить, которая может освободить ресурс.
Однако в многопроцессорных архитектурах вероятно возникновение ситуации, когда несколько нитей, ожидавших освобождения ресурса, могут быть направлены планировщиком на выполнение одновременно на различных процессорах, что приведет к новой попытке получения этого ресурса всеми нитями. Такая ситуация получила название проблемы быстрого роста. В случае если только одна нить оказалась заблокированной в ожидании ресурса, все равно между операциями восстановления работоспособного состояния нити и началом ее выполнения происходит определенная задержка.
За этот промежуток времени ресурс может успеть занять совершенно другая 300 Глава 7. Синхронизация. Многопроцессорные системы нить, что приведет к повторной блокировке первой нити. Если такая ситуация будет возникать часто, то она способна повлечь устаревание нити. В текущих разделах вы увидели краткое описание проблем традиционной модели синхронизации, влияющих на корректную работу системы и ее производительность.
Оставшаяся часть главы посвятцена описанию механизмов синхронизации, подходящих как для однопроцессорных, так и для много- процессорных систем. 7.5. Семафоры Синхронизация в ранних реализациях системы ПЧ!Х для многопроцессорных машин строилась в основном на использовании семафоров Дейкстры (Р(((сзтга'з зетпар((огсз) (6). Их иногда также называют семафорами со счетлчиком (соцпсе(( зетпар(тогез).
Семафоры — это переменные целого типа, поддерживающие две основные операции, Р() и ЧО. Операция Р() декрементирует (уменьшает на единицу) значение семафора и блокирует процесс, если результат меньше нуля. Операция Ч() инкрементирует переменную семафора. Если результат меньше или равен нулю, то она разбудит процесс, заблокированный по нему (если таковой существует). Листинг 7.1 показывает пример использования этих операций, а также функцию (п(сзе(по, применяемую для инициализации семафора, и функцию СР(), являющуюся версией Р() и производящую блокировку. Листинг 7.1. Операции с семафорами чозб 1птьзея(зеварбоге *зев. тпт ча1) ( *зев = ча1, чо(б Р(зеварпоге зев> !* запрос семафора *! ( *зев -- 1, ицз1е (*зев<0) з1еер, чозб 'ч'(зежарпоге *зев) /* освобождение сеиафора *! ( *веж += 1; зт (*зев <= 0) будни процесс.
заблокированный по зеве Ьоо1еап С СР(зевариоге *зев) /* попытка получить сеиафор без блокировки *! 7.5. Семафоры 301 1/ 1*5еа > 0) ( *зеа -- 1; ге1цгп ТйцЕ; ) е)5е гетцгп ЕАЕ5Е; Неделимость операций над семафорами обеспечивается ядром, даже в случае использования многопроцессорных систем. Таким образом, если две нити одновременно попытаются произвести какие-либо операции над одним н тем же семафором, то действия второй начнутся только после того, как произойдет завершение или блокировка процедур первой нити.
Операции Р() и )/О аналогичны Меер и и/акевр, по имеют отличающуюся от них семантику, Команда СР() позволяет запрашивать семафоры без блокировки и может быть использована обработчиками прерываний пли другими функциями, для которых блокировка нежелательна, Операцию СР() также можно использовать для предупреждении взаимоблокировки в тех случаях, при которых использование стандартной операции Р() может привести к их возникновению.
7.5.1. Семафоры как средство взаимного исключения Пример, приведенный в листинге 7.2, показывает, как можно использовать семафоры для взаимного исключения по ресурсу. Семафор можно ассоциировать с совместно используемыми ресурсами, например взаимосвязанным списком, и присвоить ему значение 1 при инициализации. Для блокировки ресурса нить выполняет операцию Р(), для его освобождения — )/(). Первое применение Р() установит значение семафора в ноль, следовательно, все последующие вызовы атой операции приведут к блокировке. При вызове )/О значение семафора будет ипкрементировано, следовательно, одна из заблокированных ранее нитей будет разбужена. Листинг 7.2. Применение семафоров для эксклюзивного использования ресурса /* при инициализации */ 5еаарноге 5еа; !п)15еа Язеа, 1), /* при каипон прииенении сенафора */ Р)азеа); использование ресурса Чйзеа); 302 Глава 7.
Синхронизация, Многопроцессорные системы 7.5.2. Семафоры и ожидание наступления событий Листинг 7.3 демонстрирует пример использования семафоров для организации ожидания события. Для этого семафор должен быть установлен при инициализации в значение «ноль».
Тогда нить, производящая операцию Р(), будет заблокирована. При наступлении события каждая приостановленная нить должна выполнить Ч(). Это можно реализовать при помощи вызова Ч(), производимого единожды после возникновения ожидаемого события, и применения той же операции Н() каждой нитью после пробуждения. Листинг 7.3. Применение семафоров для организации ожидания наступления событий /* прн инициализации */ зеюарбоге ечепт; з'пзтзею (аечепт. О); /* инициализацию кожно произвести прн загрузке */ /* выполняется нитью, которой необходнно ждать наступления события */ Р(бечепт); /* блокировка в случае.
если событие еще не пронзоюпо */ /* после наступления события */ У(бетеле): /* дает возножность другой нити возобновить выполнение */ /* продолжение кода нити */ /* выполняется прн наступлении события */ У(()ечеп1): /* будит одну нить */ 7.5.3. Семафоры и управление исчисляемыми ресурсами Семафоры можно использовать для размещения различных исчисляемых ресурсов, таких как заголовки блоков сообщений в библиотеке ЯТг«ЕАМЯ, 1(ак показано на примере в листинге 7А, для этого семафор при инициализации получает значение, равное допустимому количеству экземпляров ресурса. При его запросе нить вызывает операцию Р(), при освобождении — Ч().
Таким образом, значение семафора показывает текущее количество доступных экземпляров ресурса. Если значение отрицательно, то абсолютное значение семафора равно количеству ожидающих запросов ресурса (или блокированных нитей). Представленный алгоритм является решением проблемы взаимосвязи производителей-потребителей ресурсов. Листинг 7.4. Применение семафоров для подсчета доступного количества экземпляров ресурса /* прн инициализации */ зеюар))сге соцп(ег.
зпзтзею(асоцптег, гезсцгзеСоцпт); 7.5. Семафоры 303 /* выполняется на стадии использования ресурса */ Ртасоиптег/, /* блокировка нити, пока ресурс не станет доступен */ использование ресурса; /* ресурс доступен в текущий момент */ Иасооптег); /* освобощдение ресурса */ 7.5.4. Недостатки семафоров Семафоры представляют собой достаточно гибкие, расширяемые компоненты, при помощи которых можно решать различные проблемы синхронизации, но они обладают несколькими недостатками, не позволяющими применять их в некоторых ситуациях. Во-первых, семафоры являются компонентами высокого уровня, основанными на элементах более низкого уровня, обладающих свойством неделимости и механизмами блокировки. Для того чтобы сохранить неделимость операций Р() и Ч() ца многопроцессорных системах, необходимо гарантировать их выполнение на низком уровне, обладая при этом эксклюзивным доступом к объекту семафора.
Блокировка и возобновление работы требуют проведения контекстных переключений и манипуляций с очередями сна и планирования, что делает выполнение этих операций очень медленным. Такая скорость может быть приемлема для ресурсов, удерживаемых на большие промежутки времени, однако совершенно не подходит для объектов, требуемых на малое время.
Семафоры не предоставляют информации о том, какая конкретная нить блокируется вследствие проведения операции Р(). Чаще всего это не важно, но в некоторых случаях отсутствие информации о блокируемой нити является критичным. Например, буфер каша в системе (11)1Х использует функцию дет)т(к() для просмотра конкретного дискового блока, разметценного в каше. Если необходимый блок обнаружен, вызов де1Ы)т() попытается заблокировать его путем проведения операции Р(). Если выполнение Р() приведет к переходу нити в режим ожидания (так как блок окажется уже занятым), то при возобновлении ее работы может возникнуть ситуация, когда требуемый буфер содержит уже совершенно другой блок. За время ожидания необходимый блок может оказаться уже в совершенно ином месте буфера. Таким образом, после окончания работы Р() вполне вероятно, что нить заняла совершенно другой буфер.
Описанная проблема может быть решена и при помощи семафоров, но такое решение является весьма неэффективным и громоздким, следовательно, более разумным является применение в этом случае других элементов и конструкций системы (15). 7.5.5. Конвои Если сравнить семафоры с традиционными механизмами ОС, основанными на приостановке-возобновлении выполнения, то станет видно, что первые обладают определенным преимуществом, связанным с возобновлением выполнения 304 Глава 7. Синхронизация. Многопроцессорные системы дополнительных процессов. Если процесс был разбужен в результате операции Р(), то он гарантированно получит необходимый ресурс.
Семантика вызова гарантирует передачу пробуждаемой нити прав владения семафором до начала его выполнения. Если в этот промежуток времени иная нить попытается запросить тот же семафор, то она потерпит неудачу. Однако такое свойство семафоров приводит к возникновению проблемы, названной коввоировинием семафоров (12]. Конвой возникает в случае частого обращения к семафору. Это может уменьшить производительность любого механизма блокировки, но особенность семантики семафоров значительно усложняет возникающую проблему. На рис. 7.7 показан пример формирования конвоирования.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
