Что такое семафор в программировании

Что такое семафоры в программировании и зачем они нужны?

Семафор — инструмент для управления синхронизацией . Это целочисленная переменная, которую одновременно используют сразу несколько процессов. Основная цель использования семафора — это синхронизация процессов и управление доступом к общему ресурсу в многопроцессорной среде.

Стратегічний курс від laba: Business English для фінансистів.
Завоюйте світовий ринок.

У семафоров них есть две основные операции:

Операция ожидания уменьшает значение аргумента S, если оно положительное. Если значение S отрицательно или равно нулю, операция не выполняется:

wait(S)

• Операция подачи сигнала увеличивает значение своего аргумента S:

signal(S)

Есть два типа семафоров:

Професійний курс від mate.academy: Python Вечірній.
Поглиблене вивчення Python.

• Универсальный или считающий семафор — это семафор с целочисленными значениями и неограниченной областью значений. Эти семафоры используются для координации доступа к ресурсам, где счетчик семафоров — это количество доступных ресурсов. Если ресурсы добавляются, счетчик семафоров автоматически увеличивается, а если ресурсы удаляются, счетчик уменьшается. Считающий семафор используется для работы с несколькими процессами и решения проблем синхронизации.
• Двоичный семафор — имеет значение, ограниченное 0 и 1. Операция ожидания работает только тогда, когда семафор равен 1, а операция сигнала завершается успешно, когда семафор равен 0. Если вам знаком механизм работы мьютексов, то может показаться, что нет разницы, что использовать — двоичный семафор или мьютекс.

Но на самом деле семафор — это сигнальный механизм, а мьютекс — это механизм блокировки.

Работа семафоров на примерах из жизни

Ситуация первая: есть два банкомата, и только два человека одновременно могут снять деньги. Когда человек заходит в банк, он получает разрешение, если имеются свободные ресурсы (банкоматы), и проверяет, какой из банкоматов свободен для использования. Как только он получает доступ к банкомату, то блокирует его, вводит PIN-код и снимает деньги. Только после этого освобождается семафор.

Работа семафора на примере очереди в банкомат / media.geeksforgeeks.org

Ситуация вторая: у входа в ресторан стоят 20 человек. В этом случае количество семафоров совпадает с количеством ресурсов (свободных столиков), равным 10. Чтобы клиент мог войти в ресторан, он должен получить разрешение. После этого посетитель выбирает один из доступных столов. Как только его заказ будет выполнен, он освобождает ресурс, делая его доступным для других клиентов в очереди. В этом случае семафор гарантирует, что одновременно только 10 клиентов могут войти в ресторан и сделать заказ.

Работа семафора на примере очереди в ресторан / media.geeksforgeeks.org

В обоих случаях семафор проверяет наличие доступных ресурсов и блокирует возможность их использовать, если лимит ресурсов исчерпан. Когда количество ресурсов становится больше нуля, цикл повторяется и семафор выдает разрешение на их использование.

Наглядная схема работы семафора / media.geeksforgeeks.org

Пример кода с использованием семафоров

Давайте посмотрим, как семафоры работают в коде C++:

#include #include using namespace std; struct semaphore < int mutex; int rcount; int rwait; bool wrt; >; void addR(struct semaphore *s) < if(s->mutex == 0 && s->rcount == 0) < coutrwait++; > else < coutrcount++; s->mutex--; > return ; > void addW(struct semaphore *s) < if(s->mutex==1) < s->mutex--; s->wrt=1; cout else if(s->wrt) cout void remR(struct semaphore *s) < if(s->rcount == 0) coutrcount--; s->mutex++; > return ; > void remW(struct semaphore *s) < if(s->wrt==0) coutmutex++; s->wrt=0; if(s->rwait!=0) < s->mutex-=s->rwait; s->rcount=s->rwait; s->rwait=0; coutrcount > > int main() < struct semaphore S1=; while(1) < cout>ch; switch(ch) < case 1: addR(&S1); break; case 2: addW(&S1); break; case 3: remR(&S1); break; case 4: remW(&S1); break; case 5: cout> return 0; >

В результате получим:

Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit. Choice : 1 Reader Process added. Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit. Choice : 1 Reader Process added. Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit. Choice : 1 Reader Process added. Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit. Choice : 3 Reader Removed. Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit. Choice : 2 Sorry, File open in Read mode. Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit. Choice : 3 Reader Removed. Options :- 1.Add Reader. 2.Add Writer. 3.Remove Reader. 4.Remove Writer. 5.Exit.

Что такое семафор в программировании

Евдокимов А.А., Майстренко Н.В., Майстренко А.В.

3.3.4. Семафоры

Ситуация изменилась в 1965 году, когда Дейкстра предложил использовать целочисленную переменную для подсчета количества активизаций, отложенных на будущее. Он предложил учредить новый тип переменной — семафор (semaphore). Значение семафора может быть равно 0, что будет свидетельствовать об отсутствии сохраненных активизаций, или иметь какое-нибудь положительное значение, если ожидается не менее одной активизации.

Дейкстра предложил использовать две операции с семафорами, которые сейчас обычно называют down и up. Операция down выясняет, отличается ли значение семафора от 0. Если отличается, она уменьшает это значение на 1 (то есть использует одну сохраненную активизацию) и продолжает свою работу. Если значение равно 0, процесс приостанавливается, не завершая в этот раз операцию down. И проверка значения, и его изменение, и, возможно, приостановка процесса осуществляются как единое и неделимое атомарное действие. Тем самым гарантируется, что с началом семафорной операции никакой другой процесс не может получить доступ к семафору до тех пор, пока операция не будет завершена или заблокирована. Атомарность является абсолютно необходимым условием для решения проблем синхронизации и исключения состязательных ситуаций. Атомарные действия, в которых группа взаи¬мосвязанных операций либо выполняется без каких-либо прерываний, либо вообще не выполняется, приобрели особую важность и во многих других областях информатики.

Операция up увеличивает значение, адресуемое семафором, на 1. Если с этим семафором связаны один или более приостановленных процессов, способных завершить ранее начатые операции down, система выбирает один из них (к примеру, произвольным образом) и позволяет ему завершить его операцию down. Таким образом, после применения операции up в отношении семафора, с которым были связаны приостановленные процессы, значение семафора так и останется нулевым, но количество приостановленных процессов уменьшится на 1. Операция увеличения значения семафора на 1 и активизации одного из процессов также является неделимой. Ни один из процессов не может быть заблокирован при выполнении операции up.

В качестве примера применения семафоров рассмотрим задачу производителя и потребителя (также известную как задача ограниченного буфера). Два процесса используют общий буфер фиксированного размера. Один из них, производитель, помещает информацию в буфер, а другой, потребитель, извлекает ее оттуда.

Проблемы возникают в тот момент, когда производителю требуется поместить новую запись в уже заполненный буфер. Решение заключается в блокировании производителя до тех пор, пока потребитель не извлечет как минимум одну запись. Также, если потребителю нужно извлечь запись из буфера и он видит, что буфер пуст, он блокируется до тех пор, пока производитель не поместит что-нибудь в буфер и не активизирует этого потребителя.

В примере, приведенном в листинге 3.2, семафоры используются двумя различными способами. Различия этих способов настолько важны, что требуют дополнительного разъяснения. Семафор mutex используется для организации взаимного исключения. Его предназначение — гарантировать, что в каждый отдельно взятый момент времени к буферу и соответствующим переменным имеет доступ по чтению или записи только один процесс.

Листинг 3.2. Задача производителя и потребителя, решаемая с помощью семафоров

#define N 100 /* Количество мест в буфере */ typedef int semaphore; /* Семафоры - это специальная разновидность целочисленной переменной */ semaphore mutex = 1; /* управляет доступом к критической области */ semaphore empty = N; /* подсчитывает пустые места в буфере */ semaphore full = 0; /* подсчитывает занятые места в буфере */ void producer(void) < int item; while (TRUE) < /* TRUE - константа, равная 1 */ item = produce_item( ); /* генерация чего-нибудь для помещения в буфер */ down(&empty); /* уменьшение счетчика пустых мест */ down(&mutex); /* вход в критическую область */ insert_item(item); /* помещение новой записи в буфер */ up(&mutex); /* покинуть критическую область */ up(&full); /* инкремент счетчика занятых мест */ >> void consumer(void) < int item; while (TRUE) < /* бесконечный цикл */ down(&full); /* уменьшение счетчика занятых мест */ down(&mutex); /* вход в критическую область */ item = remove_item( ); /* извлечение записи из буфера */ up(&mutex); /* выход из критической области */ up(&empty); /* увеличение счетчика пустых мест */ consume_item(item); /* работа с записью */ >>

Другие семафоры используются для синхронизации. Семафоры full и empty нужны для гарантии наступления или ненаступления тех или иных конкретных последовательностей событий. В данном случае они гарантируют, что производитель приостановит свою работу при заполненном буфере, а потребитель приостановит свою работу, если этот буфер опустеет.

Семафор (программирование)

Семафо́р — объект, позволяющий войти в заданный участок кода не более чем n потокам. Определение введено Э. Дейкстрой.

Определение семафора

Семафор — это объект, с которым можно выполнить три операции.

init(n): счётчик := n enter(): ждать пока счётчик станет больше 0; после этого уменьшить счётчик на единицу. leave(): увеличить счётчик на единицу.

Предположим, что есть такой участок кода:

semaphore.init(5); . . semaphore.enter(); DoSomething(); semaphore.leave();

Тогда не более пяти потоков могут одновременно выполнять функцию DoSomething().

В более сложных семафорах может использоваться очередь; при этом потоки, ожидающие освобождения семафора, будут проходить через семафор именно в том порядке, в котором они вызывали enter().

Применение семафоров

Вот некоторые из проблем, которые могут решать семафоры.

• запрет одновременного выполнения заданных участков кода;
• поочерёдный доступ к критическому ресурсу (важному ресурсу, для которого невозможен одновременный доступ).

Следующий пример показывает, как наладить поочерёдный доступ к консоли.

semaphore.init(1);

Поток 1: semaphore.enter(); cout 
Поток 2: semaphore.enter(); cout 
Этот код поможет предотвратить появление листинга наподобие
Состояние массива: 1 2 3 Нажато Esc. 4 5 6
Проблемы семафоров
Во-первых, можно написать программу с «утечкой семафора», вызвав enter() и забыв вызвать leave(). Реже встречаются ошибки, когда дважды вызывается leave().






Во-вторых, семафоры чреваты взаимной блокировкой потоков. В частности, опасен такой код:
Поток 1: semaphore1.enter(); semaphore2.enter(); . semaphore2.leave(); semaphore1.leave();
Поток 2: semaphore2.enter(); semaphore1.enter(); . semaphore1.leave(); semaphore2.leave();
В-третьих, остаётся проблема синхронизации процедур самого семафора. Например, возможна следующая ситуация: два процесса ждут освобождения семафора. После того, как семафор освободился, первый процесс «узнаёт» об этом, но не успевает уменьшить счётчик, как управление передаётся второму процессу. Второй процесс тоже узнаёт об освобождении семафора, уменьшает счётчик и входит в защищённый участок кода. Тут управление передаётся первому процессу, тот ещё раз уменьшает счётчик и тоже входит в защищённый участок кода. В итоге имеем превышение разрешённого числа процессов.
Данная проблема не имеет алгоритмического решения. Она разрешается либо размещением процедуры ожидания в критической секции, в которой не разрешается переключение с процесса на процесс, либо программистскими приёмами наподобие осуществления проверки флага и его увеличения с помощью одной машинной команды.
См. также
Внешние ссылки
 Wikimedia Foundation . 2010 . 

Семафорины
Семантический веб

Полезное
Смотреть что такое "Семафор (программирование)" в других словарях:

ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ — раздел программирования, связанный с изучением и разработкой методов и средств для: а) адекватного описания в программах естественного параллелизма моделируемых в ЭВМ и управляемых ЭВМ систем и процессов, б) распараллеливания обработки информации … Математическая энциклопедия
Класс (программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Класс. Класс в программировании набор методов и функций. Другие абстрактные типы данных метаклассы, интерфейсы, структуры, перечисления характеризуются какими то своими, другими… … Википедия
Интерфейс (объектно-ориентированное программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Интерфейс (значения). Интерфейс (от лат. inter «между», и face «поверхность») семантическая и синтаксическая конструкция в коде программы, используемая для специфицирования… … Википедия
Объект (программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Объект (значения). Объект в программировании некоторая сущность в виртуальном пространстве, обладающая определённым состоянием и поведением, имеющая заданные значения свойств (атрибутов) и… … Википедия
Ссылка (программирование) — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
Коллекция (программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Коллекция. Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные исто … Википедия
Структура (программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Структура (значения). Структура конструкция большинства языков программирования, позволяющая содержать в себе набор переменных различных типов. В языках семейства Pascal структуры… … Википедия
Блокировка (программирование) — У этого термина существуют и другие значения, см. Блокировка. В информатике, блокировка это механизм синхронизации позволяющий обеспечить исключительный доступ к разделяемому ресурсу между несколькими потоками. Блокировки один из способов… … Википедия
ГОСТ 19781-90: Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения — Терминология ГОСТ 19781 90: Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения оригинал документа: 9. Абсолютная программа Non relocatable program Программа на машинном языке, выполнение которой зависит от ее… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Межпроцессное взаимодействие — (англ. Inter Process Communication, IPC) набор способов обмена данными между множеством потоков в одном или более процессах. Процессы могут быть запущены на одном или более компьютерах, связанных между собой сетью. IPC способы делятся… … Википедия


Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте


�� Путешествия

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,

WordPress, MODx.

Пометить текст и поделитьсяИскать в этом же словареИскать синонимы
Искать во всех словарях
Искать в переводах
Искать в ИнтернетеИскать в этой же категории

Учебники. Программирование для начинающих. 
Programm.ws - это сайт, на котором вы можете почитать литературу по языкам программирования , а так-же посмотреть примеры работающих программ на С++, ассемблере, паскале и много другого..
Программирование — в обычном понимании, это процесс создания компьютерных программ. 
В узком смысле (так называемое кодирование) под программированием понимается написание инструкций — программ — на конкретном языке программирования (часто по уже имеющемуся алгоритму — плану, методу решения поставленной задачи). Соответственно, люди, которые этим занимаются, называются программистами (на профессиональном жаргоне — кодерами), а те, кто разрабатывает алгоритмы — алгоритмистами, специалистами предметной области, математиками. 
В более широком смысле под программированием понимают весь спектр деятельности, связанный с созданием и поддержанием в рабочем состоянии программ — программного обеспечения ЭВМ. Более точен современный термин — «программная инженерия» (также иначе «инженерия ПО»). Сюда входят анализ и постановка задачи, проектирование программы, построение алгоритмов, разработка структур данных, написание текстов программ, отладка и тестирование программы (испытания программы), документирование, настройка (конфигурирование), доработка и сопровождение. 
Delphi для профессионалов
Глава 29. Потоки и процессы
Семафор
Семафор ( semaphore ) подобен взаимному исключению. Разница между ними в том, что семафор может управлять количеством потоков, которые имеют к нему доступ. Семафор устанавливается на предельное число потоков, которым доступ разрешен. Когда это число достигнуто, последующие потоки будут приостановлены, пока один или более потоков не отсоединятся от семафора и не освободят доступ.
В качестве примера использования семафора рассмотрим случай, когда каждый из группы потоков работает с фрагментом совместно используемого пула памяти. Так как совместно используемая память допускает обращение к ней только определенного числа потоков, все прочие должны быть блокированы вплоть до момента, когда один или несколько пользователей пула откажутся от его совместного использования.


Похожие публикации:

Как вставить фото исполнителя в мр3 файл
Как обновить parallels desktop на mac
Как посмотреть сервисы в linux
Как ускорить распаковку файлов