kritische Regionen in der Informatik

Kritische Regionen

• Vier Bedingungen sind erforderlich, um gegenseitigen Ausschluss zu gewährleisten:
  • Keine zwei Prozesse dürfen gleichzeitig in ihrer kritischen Region sein
  • Es dürfen keine Annahmen über die Geschwindigkeit oder Anzahl der CPUs gemacht werden
  • Prozesse außerhalb ihrer kritischen Region dürfen andere Prozesse nicht blockieren
  • Kein Prozess darf unendlich warten müssen, um in seine kritische Region zu gelangen
• Durch den gegenseitigen Ausschluss können Zwischenfälle bei der Nutzung gemeinsamer Ressourcen vermieden werden

Gegenseitiger Ausschluss mit Busy Waiting

• Petersons Lösung für den gegenseitigen Ausschluss verwendet eine gemeinsame Variable interested und eine turn-Variable
• Ein Prozess zeigt sein Interesse durch Setzen seiner Position in interested und wartet in einer Schleife, bis der andere Prozess sein Interesse aufgibt oder turn geändert wird
• Die TSL-Instruktion (TestAndSetLock) sperrt den Speicherbus und verhindert Unterbrechungen, wodurch ein Prozess sicher in seine kritische Region eintreten kann

Sleep and Wakeup

• Das Erzeuger-Verbraucher-Problem wird durch Sperren ersetzt, die Prozesse blockieren, bis sie in ihre kritische Region eintreten können
• Ein Wettlaufsituation kann auftreten, wenn zwischen dem Überprüfen des Zählers und dem Schlafenlegen ein Scheduling erfolgt und ein wakeup-Aufruf ins Leere geht

Semaphoren

• Semaphoren sind eine Lösung für das Erzeuger-Verbraucher-Problem
• Drei Semaphoren (mutex, empty und full) steuern den Zugriff auf den Puffer und verhindern Wettlaufsituationen
• Die down- und up-Operationen stellen sicher, dass Prozesse blockieren, wenn der Zähler null ist, und aufwachen, wenn der Zähler größer wird

Monitore

• Monitore sind höhere Synchronisationsmechanismen, die die Programmierung korrekter synchronisierter Prozesse und Threads vereinfachen
• Ein Monitor ist eine Sammlung von Funktionen und internen Variablen, auf die nur über diese Funktionen zugegriffen werden kann
• Der Compiler stellt sicher, dass zu jedem Zeitpunkt maximal ein Prozess im Monitor aktiv ist

Message Passing

• Nachrichtenaustausch (Message Passing) ist ein Mechanismus zur Interprozesskommunikation zwischen verschiedenen Computersystemen
• Nachrichten werden zwischen Prozessen gesendet und empfangen, um die Synchronisation und den Datenaustausch zu ermöglichen
• Bestätigungen und eindeutige Nachrichtennummern sind notwendig, um Nachrichtenverluste zu vermeiden

Dining Philosophers

• Das Problem der Dining Philosophers ist ein klassisches Beispiel für den konkurrierenden Zugriff auf begrenzte Ressourcen
• Philosophen wechseln zwischen Denken und Essen, wobei sie zwei Gabeln zum Essen benötigen

Das Leser-Schreiber-Problem

• Das Problem behandelt den konkurrierenden Zugriff auf gemeinsame Daten zwischen Leseprozessen und Schreibprozessen
• Die Lösung verwendet Semaphore, um den Zugriff auf den Referenzzähler rc und die Datenbank db zu steuern
• Leseprozesse können gleichzeitig lesen, während nur ein Schreibprozess exklusiven Zugriff haben sollte

Lernen Sie die notwendigen Bedingungen für gegenseitigen Ausschluss in kritischen Regionen und die Faktoren, die sicherstellen, dass Prozesse nicht blockiert werden.