Алгоритмы взаимного исключения

Определения

Определение:

Взаимное исключение (англ. mutual exclusion) — свойство построения параллельных программ, которое используется в целях предотвращения состояния гонки (англ. race condition); Оно требует, чтобы один поток исполнения никогда не входил в критическую секцию одновременно с тем, как другой параллельный поток выполнения вошел в свою критическую секцию.

То есть критические секции не могут выполняться параллельно: [math]\forall i,j:i \neq j \Rightarrow CS_i \rightarrow CS_j \vee CS_j \rightarrow CS_i [/math]. Это значит, что выполнение критических секций будет линеаризуемо. Это требование корректности протокола взаимной блокировки.

Определение:

Критическая секция (англ. critical section) — участок исполняемого кода программы, в котором производится доступ к общему ресурсу (данным или устройству), который не должен быть одновременно использован более чем одним потоком исполнения.

Проблема

Проблема, с которой связаны взаимные исключения, является проблемой совместного использования ресурсов: как можно управлять доступом нескольких процессов к общему ресурсу, когда каждый процесс нуждается в исключительном контроле над этим ресурсом при выполнении своей работы? Решение взаимного исключения - делать доступным общий ресурс только тогда, когда процесс находится в определенном сегменте кода, называемом критической секцией. Он контролирует доступ к общему ресурсу, контролируя каждое взаимное выполнение той части программы, в которой будет использоваться ресурс.

Успешное решение этой проблемы должно иметь по крайней мере эти два свойства:

1. Он должен реализовывать взаимное исключение: только один процесс может быть в критическом разделе за раз
2. Он должен быть свободен от взаимоблокировок (англ. deadlocks): если процессы пытаются войти в критический раздел, один из них должен, в конечном счете, сделать это успешно, при условии, что процесс не останется в критическом разделе навсегда.

Каждая программа процесса может быть разделена на четыре секции, что приводит к четырем состояниям. Выполнение программ осуществляется через эти четыре состояния в порядке:

Non-Critical Section

Операция находится вне критической секции; этот процесс не использует или не запрашивает общий ресурс.

Trying

Процесс пытается войти в критический раздел.

Critical Section

В этом разделе разрешен доступ к общему ресурсу.

Exit 

Процесс выходит из критического раздела и делает доступный общий ресурс другим процессам.

Если процесс хочет войти в критический раздел, он должен сначала выполнить раздел try и подождать, пока он не получит доступ к критическому разделу. После того, как процесс выполнил свой критический раздел и завершился с общими ресурсами, ему необходимо выполнить раздел выхода, чтобы освободить их для использования другими процессами. Затем процесс возвращается в некритический раздел.

См. также

• Производящая функция

Источники информации

• Решение рекуррентных соотношений