Der niederländische Informatiker Edsger Wybe Dijkstra hat das Semaphor-Konzept in den 1960er-Jahren entwickelt, und in seinem Artikel Co-Operating Sequential Processes vorgestellt. Auf Wikipedia findet sich ein Hinweis zur Namensherkunft des Begriffs Semaphor.
Wie im weiteren Verlauf dieses Abschnitts noch zu sehen sein wird, können mit Hilfe des Semaphor-Konzepts eine Reihe von Problemen der Prozess-Synchronisation gelöst werden. Als großer Vorteil der Semaphore wird noch zu erkennen sein, dass sie dabei auf aktives Warten verzichten, und somit nicht den Nachteil der Verschwendung von CPU-Zeit haben.
Zunächst einige Definitionen:
Unter einem Semaphor versteht man eine Datenstruktur, welche einen ganzzahligen Zähler, sowie eine Warteschlange bereitstellt. Zusätzlich sind zwei atomare Operationen P() und V() auf diese Datenstruktur definiert.
Ein ganzzahliger Zähler ist in der Programmierung beispielsweise eine einfache Integer-Variable. Diese kann negative oder positive ganzzahlige Werte annehmen. Der ganzzahlige Zähler einer Semaphore hingegen kann keine negativen Werte annehmen.
Eine Warteschlange ist eine klassische Datenstruktur in der Informatik, die nach dem FIFO-Prinzip (First In, First Out) arbeitet. Sie dient hier zur geordneten Aufnahme von Prozessen.
Die Operation P() wird in einigen Quellen auch als down()-Operation betitelt, analog up() anstatt V().
Unter einem binären Semaphor versteht man einen Semaphor, dessen ganzzahliger Zähler nur die Werte 0 oder 1 annehmen kann.
Ein binärer Semaphor besitzt gemäß seiner Definition ebenso eine Warteschlange und auch die auf ihm operierenden P()- und V()-Operationen.
Die P()-Operation eines Semaphors ist als atomare Operation wie folgt definiert:
Mit "blockieren" ist hier das Ändern des Prozesszustands des die P()-Operation aufrufenden Prozesses in den Zustand "Blockiert" gemeint.
Die V()-Operation eines Semaphors ist als atomare Operation wie folgt definiert:
Mit "entblockieren" ist hier das Ändern des Prozesszustands des ersten Prozesses aus der Warteschlange in den Zustand "Bereit" gemeint.
Nach diesen grundlegenden Definitionen folgen mit dem Mutex und dem Zählsemaphor zwei konkretere Konzepte, anhand derer die Einsatzmöglichkeiten von Semaphoren gezeigt werden.
Erläutere warum es Sinn macht, dass die P()-Operation auch als down()-Operation betitelt wird, und warum analog die V()-Operation als up() betitelt wird.
Die P()- und V()-Operation ist jeweils als atomare Operation definiert.
Was bedeutet dies für die Ausführung dieser beiden Operationen?
Wenn die P()-Operation ausgeführt wird, dann ändert sich gegebenenfalls der Zustand desjenigen Prozesses, der die P()-Operation aufgerufen hat.
Wie ist das bei der V()-Operation? Ändert sich hier eventuell auch der Zustand des Prozesses, der die V()-Operation aufgerufen hat?
In der Definition zur V()-Operation heisst es:
Kann es passieren, dass der Wert der Zählvariablen gleich Null ist, aber kein Prozess entblockiert werden kann, weil die Warteschlange leer ist?
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