Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

Поддержка системы UNIX в многопроцессорной конфигурации может включать в себя разбиение ядра системы на критические участки, параллельное выполнение которых на нескольких процессорах не допускается. Такие системы предназначались для работы на машинах AT amp;T 3B20A и IBM 370, для разбиения ядра использовались семафоры (см. [Bach 84]). Нижеследующие рассуждения помогают понять суть данной особенности. При ближайшем рассмотрении сразу же возникают два вопроса: как использовать семафоры и где определить критические участки.

Как уже говорилось в главе 2, если при выполнении критического участка программы процесс приостанавливается, для защиты участка от посягательств со стороны других процессов алгоритмы работы ядра однопроцессорной системы UNIX используют блокировку. Механизм установления блокировки:

выполнять пока (блокировка установлена) /* операция проверки */

 приостановиться (до снятия блокировки);

установить блокировку;

механизм снятия блокировки:

снять блокировку;

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

Рисунок 12.5. Конкуренция за установку блокировки в многопроцессорных системах

Блокировки такого рода охватывают некоторые критические участки, но не работают в многопроцессорных системах, что видно из Рисунка 12.5. 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.

12.3.1 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, рассмотренными в главе 11.

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".