Семафоры
Глава 4 Семафоры
Как видно из предыдущей главы, большинство протоколов с активным ожиданием достаточно сложны. Кроме того, нет четкой грани между переменными для синхронизации и переменными для вычислений. Это усложняет разработку и использование протоколов с активным ожиданием.
Еще один недостаток активного ожидания — его неэффективность в большинстве многопоточных программ. Обычно количество процессов больше числа процессоров, за исключением синхронных параллельных программ, где на каждый процесс приходится по одному процессору, поэтому активное ожидание процесса становится эффективнее, если использовать процессор для выполнения другого процесса.
Синхронизация является основой параллельных программ, поэтому для разработки правильных протоколов синхронизации желательно иметь специальные средства, которые можно использовать для блокирования приостанавливаемых процессов. Первым таким средством синхронизации, не потерявшим актуальности и сегодня, стали семафоры. Они облегчают защиту критических секций и могут использоваться систематически для реализации планирования и сигнализации. По этой причине они включены во все известные автору библиотеки многопоточного и синхронного параллельного программирования. Кроме того, семафоры допускают различные способы реализации, как с помощью активного ожидания, описанного в предыдущей главе, так и с помощью ядра (см. главу 6).
Идея семафора в соответствии с названием взята из метода синхронизации движения поездов, принятого на железной дороге. Железнодорожный семафор — это "сигнальный флажок", показывающий, свободен путь впереди или занят другим поездом. По мере движения поезда семафоры устанавливаются и сбрасываются. Семафор остается установленным на время, достаточное, чтобы при необходимости остановить другой поезд. Таким образом, железнодорожные семафоры можно рассматривать как устройства, которые сигнализируют об условиях, чтобы обеспечить взаимоисключающее прохождение поездов по критическим участкам пути. Семафоры в параллельных программах аналогичны — они предоставляют базовый механизм сигнализации и используются для реализации взаимного исключения и условной синхронизации.
В этой главе определяется синтаксис и семантика семафоров, а также демонстрируется их применение для решения задач синхронизации. Для сравнения пересматриваются некоторые задачи, решенные в предыдущих главах, в том числе задачи критической секции, производителей и потребителей, а также барьера. Кроме того, представлены новые интересные задачи: об ограниченном (кольцевом) буфере, обедающих философах, читателях и писателях, распределении ресурсов по принципу "кратчайшая задача". По ходу изложения вводятся три полезных приема программирования: изменение переменных, использование разделенных двоичных семафоров и передача эстафеты (общий метод управления порядком выполнения процессов).
