Ćwiczenia 3: Semafory 1.

Problem 1. Implementacja różnych odmian semaforów.

(a) Implementacja semafora dwustronnie ograniczonego.

var S : semaphore := K;    {wartosc poczatkowa, 0 <= K <= N}
    T : semaphore := N - K;
 
procedure PD; {operacja P na semaforze dwustronnie ograniczonym}
begin
  P(S); V(T);
end;
 
procedure VD; {operacja V na semaforze dwustronnie ograniczonym}
begin
  P(T); V(S);
end;

Uwaga. Warto zauważyć, że zmiana kolejności wywołań w procedurze VD prowadzi do niepoprawnego rozwiązania (bardzo często podawanego przez studentów). Najlepiej to widać na przykładzie zastosowania powyższego schematu do rozwiązania problemu producentoów i konsumentóow z ograniczonym buforem.

Zastosowanie — producent i konsument, bufor cykliczny.

var bufor : array[0..N-1] of porcja; {bufor cykliczny}
    Wolne  : semaphore := N;         {bufor inicjalnie pusty}
    Zajete : semaphore := 0;
 
process Producent;               process Konsument;
var k : integer := 0;            var k : integer := 0;
    p : porcja;                      p : porcja;
begin                            begin
  while true do begin              while true do begin
    produkuj(p);                     P(Zajete);
    P(Wolne);                        p:= bufor[k];
    bufor[k]:= p;                    V(Wolne);
    V(Zajete);                       k:= (k + 1) mod N;
    k:= (k + 1) mod N                konsumuj(p)
  end                              end
end;                             end;

(b) Implementacja semafora uogólnionego.

Należy zdefiniować dwie operacje, nazwijmy je PG(n) oraz VG(n), oznaczające odpowiednio opuszczenie oraz podniesienie semafora uogólnionego.

W przedstawionym, prostym i zwiezłym, rozwiazaniu semafor (tzn. zmienna pomocnicza) przyjmuje czasowo wartości ujemne (sic!). Sposób działania procesów (wstrzymywanie procesów) jest jednak całkowicie prawidłowy (i o to przecież chodzi). Rozwiązanie, w którym zmienna pomocnicza nie przyjmuje wartości ujemnych jest znacznie bardziej złożone (por. Z. Weiss, T. Gruźlewski).

var mutex : binary semaphore := 1;     {wylaczny dostep}
  ochrona : binary semaphore := 1;     {ochrona wspolnej zmiennej}
  Sczekaj : semaphore := 0;            {oczekiwanie}
      ile : integer;         {aktualna wartosc semafora}
 
procedure PG(n : integer);   {operacja P na semaforze uogolnionym}
begin
  P(mutex);                  {co najwyzej jeden proces czeka na P}
  P(ochrona);
  ile:= ile - n;
  if ile < 0 then            {wstrzymanie}
  begin
    V(ochrona); P(Sczekaj);
  end
  else V(ochrona);
  V(mutex)
end;
 
procedure VG(n : integer);   {operacja V na semaforze uogolnionym}
begin
  P(ochrona);
  ile:= ile + n;
  if (ile >= 0) and (ile < n) then {ktos czeka i juz sie doczekal}
    V(Sczekaj);
  V(ochrona);
end;

Problem 2. Czytelnicy i pisarze.

Rozwiązanie klasycznego problemu przy użyciu semaforów, bez żadnych priorytetów, czyli bez zagłodzenia. Treści obu rodzajów procesów są prawie identyczne — z dokład-nością do nazw zmiennych plus spełnienie wymagania, że tylko jeden pisarz może prze-bywać w czytelni.

Schemat działania procesu danej grupy jest następujący: jeśli nie ma procesów z grupy przeciwnej, to wchodzę do czytelni (pisarze pojedynczo), w przeciwnym przypadku czekam (na odpowiednim semaforze). Po zakończeniu korzystania z czytelni przez wszystkie procesy, które uzyskały takie prawo, ostatni wychodzący proces wpuszcza wszystkie oczekujące procesy ż grupy przeciwnej (podnosząc semafor odpowiednia liczbę razy).

Do realizacji powyższego schematu należy użyć:

czterech liczników: dwa dla czytelników oraz dwa dla pisarzy, oznaczające liczbę procesów z danej grupy, które zgłosiły chęć skorzystania z czytelni oraz tych, które użyskaly zgodę na wejście do czytelni (dla czytelników zgoda jest równoważna wejściu do czytelni, a pisarze muszą wchodzić pojedynczo);
dwa semafory binarne: jeden (klasycznie) do ochrony wspólnych zmiennych (wylącz-ny dostęp), drugi do wpuszczania pisarzy do czytelni;
dwa semafory ogólne, na których czekają odpowiednio czytelnicy oraz pisarze (oczekiwanie na opuszczenie czytelni przez procesy z przeciwnej grupy).

var jest_cz, akt_cz, czeka_p, jest_p : integer := (0, 0, 0, 0);
    Ochrona : binary semaphore := 1;   {ochrona wspolnych zmiennych}
    Czytelnia : binary semaphore := 1; {dostep dla jednego pisarza}
    Czytelnicy : semaphore := 0;       {czekajacy czytelnicy}
    Pisarze : semaphore := 0;          {czekajacy pisarze}
 
process Czytelnik;
begin
  while true do begin
    wlasne_sprawy;
    P(Ochrona);
    jest_cz:= jest_cz + 1;           {licznik wszystkich czytelnikow}
    if jest_p = 0 then begin {nie ma pisarza, mozna czytac}
      akt_cz:= akt_cz + 1;           {licznik czytelnikow w czytelni}
      V(Ochrona)
    end
    else begin                {sa pisarze ... }
      V(Ochrona);
      P(Czytelnicy)           { ... czytelnicy czekaja}
    end;
    CZYTAM;
    P(Ochrona);
    akt_cz:= akt_cz - 1; jest_cz:= jest_cz - 1;
    if akt_cz = 0 then        {wychodzi ostatni czytelnik}
      while jest_p > akt_p do begin {wpuszczamy wszystkich pisarzy}
        akt_p:= akt_p + 1;          {zaznaczajac, ze sa oni aktywni}
        V(Pisarze);
     end;
    V(Ochrona)
  end
end;

Treści obu rodzajów procesów są prawie identyczne — zamiast CZYTAM pisarz wykonuje P(Pisarze); PISZE; V(Pisarze).

Czytelnicy i pisarze — priorytet dla pisarzy (zagłodzenie czytelników).

Rozwiązanie dające priorytet pisarzom można uzyskać modyfikując przedstawione powyżej rozwiązanie. Interesujące cechy poniższego rozwiązania:

dziedziczenie sekcji krytycznej (tu: dostęp do zmiennych) — np. czytelnik budzony przez pisarza dziedziczy jego sekcje krytyczną, (obowiązkowo!);
po zakończeniu pracy przez pisarzy do czytelni wchodzą wszyscy czekający czytelnicy — każdy czytelnik wpuszcza następnego czekającego czytelnika (o ile taki jest, również z dziedziczeniem sekcji krytycznej).

Osoby zainteresowane innym rozwiązaniem tego problemu odsyłam do książki: W. Iszkowski, M. Maniecki, "Programowanie współbieżne", WNT 1982. Bardzo pouczające jest pełne zrozumienie przedstawionego tam rozwiązania (zwłaszcza sekwencji trzech operacji P).

var jest_cz, akt_cz, jest_p : integer := (0, 0, 0);
    Ochrona : binary semaphore := 1;    {ochrona wspolnych zmiennych}
    Czytelnia : binary semaphore := 1;  {dostep dla pisarza/czytelnikow}
    Czytelnicy : binary semaphore := 0; {czekajacy czytelnicy}
 
process Pisarz;
begin
  while true do begin
   wlasne_sprawy;
   P(Ochrona);
   jest_p:= jest_p + 1;
   V(Ochrona);
   P(Czytelnia); PISANIE; V(Czytelnia);
   P(Ochrona);
   jest_p:= jest_p - 1;
   if (jest_p = 0) and (jest_cz > 0) then {wchodza czytelnicy}
   begin
     P(Czytelnia);       {czytelnie zajmuja czytelnicy; troche nieladne}
     V(Czytelnicy)       {uwaga: dziedziczenie sekcji krytycznej}
   end
   else V(Ochrona)
  end
end;
 
process Czytelnik;
begin
  while true do begin
    wlasne_sprawy;
    P(Ochrona);
    jest_cz:= jest_cz + 1;          {licznik wszystkich czytelnikow}
    if jest_p = 0 then begin {nie ma pisarza, mozna czytac}
      akt_cz:= akt_cz + 1;          {licznik czytelnikow w czytelni}
 
      if akt_cz = 1 then P(Czytelnia); {pierwszy czytelnik musi zajac}
      V(Ochrona)
    end
    else begin             {sa pisarze ... }
      V(Ochrona);
      P(Czytelnicy)        { ... czytelnicy czekaja}
      akt_cz:= akt_cz + 1;
      if jest_cz > akt_cz then V(Czytelnicy)   {wpuszczam nastepnego}
      else V(Ochrona)                          {a ostatni zwalnia}
    end;
    CZYTAM;
    P(Ochrona);
    akt_cz:= akt_cz - 1; jest_cz:= jest_cz - 1;
    if akt_cz = 0 then   {wychodzi ostatni czytelnik}
      V(Czytelnia);      { - moze wejsc pisarz}
    V(Ochrona)
  end
end;

Możliwe jest również zapisanie treści obu procesów w sposób jeszcze bardziej zbliżony do poprawnego rozwiązania (beż priorytetów) — ale mniej ciekawy :-). Pozostawiamy to zainteresowanym czytelnikom.