排他制御

マルチタスクでは、複数のタスクがメモリや磁気ディスクの同じ場所をアクセスする場合があります。そのとき、双方で更新を行う場合には、一貫性を失うことが起こるため、一方のタスクが終了するまで、他方のタスクがアクセスしないようにする必要があります。それを排他制御といいます。

ロック方式

記憶装置の更新を行うタスクは、そに必要となる個所を他のタスクが更新をしないように、ロックをかけます。これをロック方式といいます。ロックには、次の二つがあります。
　　　専有ロック：他のタスクに参照も更新もさせない。
　　　　　　　他のタスクは、その資源に専有ロックも共有ロックもかけられない
　　　　　　　更新時に専有ロックをすることが多い。
　　　共有ロック：他のタスクに参照は許すが、更新はさせない
　　　　　　　参照時に、データが途中で変えられないために共有ロックをかけることが多い。
　　　　　　　他のタスクは共有ロックできるがが、専有ロックをかけられない

デッドロック

ロック方式の欠点にデッドロックがあります。
タスクＡは、資源ａを専有ロック、資源ｂを共有ロックする必要があり、タスクＢは、資源ｂを専有ロック、資源ａを共有ロックする必要があるとします。タスクＡは、資源ｂをタスクＢで占有されているため、実行できないし、タスクＢは、資源ａをタスクＢで占有されているため、実行できません。このように双方が実行できなくなる状況をデッドロックといいます。
　デッドロック状態の検出は、次の方法で行われます。
　　　ロック モニター スレッドがタイマ監視をしており、一定時間状態が変化しないことで検出する
　　　応答がないのを人間が発見して、割り込みをかける。
　デッドロック状態を解消するには、次の手段になります。
　　　タスクＡかタスクＢの一方を強制的に終了させる
　　　資源ａか資源ｂの一方を強制的にロックを外す
　デッドロックの発生を予防するには、次の工夫があります。
　　専有ロックする資源の粒度（ロックする範囲）を小さくする
　　　　他のタスクがロックした個所をアクセスする確率が小さくなる
　　専有ロックをアクセスする時間を短縮する
　　　　他のタスクとの同時アクセスが発生する確率が小さくなる
　　ロックする資源の順序を同じにする
　　　　タスクＡもタスクＢも、資源ａ→資源ｂの順にすればデッドロックになりにくい

セマフォ

セマフォ方式の仕組み

セマフォ方式では、対象となる資源についてセマフォ変数という変数を設定し、その変数の値により、他のタスクにこの資源の利用を許すか禁止するかを示します。そして、Ｐ操作（Doun）とＶ操作（Up）によりセマフォ変数の値を変化させます。

• Ｐ操作：資源を利用するために確保する操作。セマフォ変数から１を減じる。その結果、
  　　　セマフォ変数≧０：タスクが資源を確保する
  　　　セマフォ変数＜０：タスクを待ち状態にする
• Ｖ操作：資源を解放する操作。セマフォ変数に１を加える。その結果、
  　　　セマフォ変数＞０：資源待ち他のタスクがないので何もしない
  　　　セマフォ変数≦０：待ち状態のタスクから一つのタスクを実行可能状態にする

セマフォ方式の例

タスクＡ，Ｂ，Ｃがある資源にアクセスする場合、次のようになります。
　　　　　　　　①　　　②　　　③　　　④　　　⑤　　　⑥　　　⑦
　　　　　　　　┌───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐
　セマフォ変数　│　１　│　０　│ －１ │ －２ │ －１ │　０　│　１　│
　　　　　　　　└───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘
　　　　　　　　　　┌───┬───────┬───┐
　　　タスクＡ　　　│Ｐ操作│　　 実行 　　│Ｖ操作│
　　　　　　　　　　└───┼───┬───┼───┼───┐
　　　タスクＢ　　　　　　　│Ｐ操作│ 待ち │ 実行 │Ｖ操作│
　　　　　　　　　　　　　　└───┼───┼───┼───┼───┐
　　　タスクＣ　　　　　　　　　　　│Ｐ操作│ 待ち │ 実行 │Ｖ操作│
　　　　　　　　　　　　　　　　　　└───┴───┴───┴───┘

• ①：初期状態では、資源はどのタスクにも使われていない。セマフォ変数＝１としておく。
• ②：タスクＡが資源を要求。Ｐ操作（－１）が行われる。その結果、セマフォ変数＝０≧０なので、タスクＡは資源を確保して、実行状態になる。
• ③：タスクＢが資源を要求。Ｐ操作（－１）が行われる。その結果、セマフォ変数＝－１＜０なので、タスクＢは、資源が解放されるまで待つ。
• ④：タスクＣが資源を要求。Ｐ操作（－１）が行われる。その結果、セマフォ変数＝－２＜０なので、タスクＣは、資源が解放されるまで待つ。
• ⑤：タスクＡの実行が終了したので、資源を解放しＶ操作（＋１）が行われる。その結果、セマフォ変数＝－１≦０なので、待ち状態のタスクからタスクＢが実行可能状態になり実行に入る。
• ⑥：タスクＢの実行が終了したので、資源を解放しＶ操作（＋１）が行われる。その結果、セマフォ変数＝０≦０なので、待ち状態のタスクからタスクＣが実行可能状態になり実行に入る。
• ⑦：タスクＣの実行が終了したので、資源を解放しＶ操作（＋１）が行われる。その結果、セマフォ変数＝１＞０なので、何もせず①と同じ状態に戻る。

セマフォの目的

このような操作により、資源のほうからタスクの状態を制御することにより、
　　　共有リソースの排他アクセスの制御
　　　複数のタスク間の同期を取る
などを行うことができます。