Критична секція

Найпростіший спосіб забезпечити взаємне виключення - дозволити процесу, що знаходиться в критичній секції, забороняти все переривання. Однак цей спосіб не годиться, тому що небезпечно довіряти управління системою для користувача процесу, він може надовго зайняти процесор, а при краху процесу в критичній області крах потерпить вся система, тому що переривання ніколи не будуть дозволені.

Іншим способом є використання блокуючих змінних. З кожним ресурсом зв'язується двійкова змінна, яка приймає значення 1, якщо ресурс вільний (тобто ні один процес не знаходиться в даний момент в критичній секції, пов'язаною з цим процесом), і значення 0, якщо ресурс зайнятий.

Рис. 1.3. Реалізація критичних секцій з використанням блокуючих змінних

Слід зауважити, що операція перевірки та встановлення блокує змінну та повинна бути неподільною. Щоб уникнути таких ситуацій у системі команд машини бажано мати єдину команду "перевірка-установка", або ж реалізовувати системними засобами відповідні програмні примітиви, які б забороняли переривання протягом всієї операції перевірки та встановлення.
Реалізація критичних секцій з використанням блокуючих змінних має істотний недолік: протягом часу, коли один процес знаходиться в критичній секції, інший процес, якому потрібен той же ресурс, буде виконувати рутинні дії за опитуванням блокує змінної, марно витрачаючи процесорний час. Для усунення таких ситуацій може бути використаний так званий апарат подій. За допомогою цього засобу можуть вирішуватися не тільки проблеми взаємного виключення, але й більш загальні завдання синхронізації процесів. У різних операційних системах апарат подій реалізується по своєму, але в будь-якому випадку використовуються системні функції аналогічного призначення, які умовно назвемо WAIT (x) і POST (x), де x - ідентифікатор деякої події.
Рис. 1.4. Реалізація критичної секції з використанням системних функцій WAIT (D) і POST (D)

Для того, щоб полегшити написання коректних програм, було запропоновано високорівневий засіб синхронізації, зване монітором. Монітор - це набір процедур, змінних і структур даних. Процеси можуть викликати процедури монітора, але не мають доступу до внутрішніх даних монітора. Монітори мають важливу властивість, яка робить їх корисними для досягнення взаємного виключення: тільки один процес може бути активним по відношенню до монітора. Компілятор обробляє виклики процедур монітора особливим чином. Зазвичай, коли процес викликає процедуру монітора, то перші кілька інструкцій цієї процедури перевіряють, неактивним може бути який-небудь інший процес по відношенню до цього монітора. Таким чином, виключення входу декількох процесів в монітор реалізується не програмістом, а компілятором, що робить помилки менш імовірними.

У розподілених системах, що складаються з декількох процесорів, кожний з яких має власну оперативну пам'ять, семафори та монітори виявляються непридатними. У таких системах синхронізація може бути реалізована тільки за допомогою обміну повідомленнями.