Sémaphore (informatique)

Un sémaphore permet de protéger une variable (ou un type de donnée abstrait) et constitue la méthode utilisée couramment pour restreindre l'accès à des ressources partagées (par exemple un espace de stockage) dans un environnement de programmation concurrente. Le sémaphore a été inventé par Edsger Dijkstra et utilisé pour la première fois dans le système d'exploitation THE Operating system.

Les sémaphores fournissent la solution la plus courante pour le fameux problème du « dîner des philosophes », bien qu'ils ne permettent pas d'éviter tous les interblocages (ou deadlocks). Pour pouvoir exister sous forme logicielle, ils nécessitent une implémentation matérielle (au niveau du microprocesseur), permettant de tester et modifier la variable protégée au cours d'un cycle insécable. En effet, dans un contexte de multiprogrammation, on ne peut prendre le risque de voir la variable modifiée par un autre processus juste après que le processus courant vienne de la tester et avant qu'il ne la modifie.

Le sémaphore SEM, sa liste L et son compteur K, SEM est accessible aux opérations :

• INIT(SEM, VAL)
• P(SEM)
• V(SEM)

Opérations prises en charge par les sémaphores

Les trois opérations prises en charge sont Init, P et V.

P et V du néerlandais Proberen et Verhogen signifient tester et incrémenter (en français "Puis-je?" et "Vas-y!"). La valeur d'un sémaphore est le nombre d'unités de ressource (exemple : imprimantes...) libres ; s'il n'y a qu'une ressource, un sémaphore à système numérique binaire avec les valeurs 0 ou 1 est utilisé.

• L'opération P est en attente jusqu'à ce qu'une ressource soit disponible, ressource qui sera immédiatement allouée au processus courant.
• V est l'opération inverse; elle rend simplement une ressource disponible à nouveau après que le processus a terminé de l'utiliser.
• Init est seulement utilisé pour initialiser le sémaphore. Cette opération ne doit être utilisée qu'une seule et unique fois.

Les opérations P et V doivent être indivisibles, ce qui signifie que les différentes opérations ne peuvent pas être exécutées plusieurs fois de manière concurrente. Un processus qui désire exécuter une opération qui est déjà en cours d'exécution par un autre processus doit attendre que le premier termine.

Dans les livres en anglais, les opérations V et P sont quelques fois appelées respectivement up et down. En conception logicielle, elles sont appelées signal et wait ou release et take. De façon informelle, un bon moyen de se rappeler laquelle fait quoi est le procédé mnémotechnique les associant à Puis-je ? et Vas-y !.

Pour éviter l'attente, un sémaphore peut avoir une file de processus associée (généralement une file du type FIFO). Si un processus exécute l'opération P sur un sémaphore qui a la valeur zéro, le processus est ajouté à la file du sémaphore. Quand un autre processus incrémente le sémaphore en exécutant l'opération V, et qu'il y a des processus dans la file, l'un d'eux est retiré de la file et reprend la suite de son exécution.

Opération Init(sem, val)

Initialisation d'un sémaphore :

function Init(semaphore sem, int val)
{  
 disable_interrupt;
 sem.K:= val;
 enable_interrupt;
}

Opération P(sem)

function P(semaphore sem)
{
disable_interrupt;
 if (sem.K == 0)
 {
   L.suivant = processus_courant;
   processus_courant.state= bloque;
   reordonnancement = vrai;
 }
 else
 {
  sem.K=sem.K-1;
 }
 enable_interrupt;
}

Opération V(sem)

function V(semaphore sem)
{
disable_interrupt;
sem.K=sem.K+1;
if (not L.vide) 
 {
   processus_reveille= L.tete;
   processus_reveille.state = prêt;
   reordonnancement = vrai;
 }
enable_interrupt;
 }

L'incrémentation de la variable s ne doit pas être interrompue, et l'opération P ne doit pas être interrompue après que s soit différent de 0. Ceci peut être fait par une instruction spéciale ou en ignorant les interruptions afin d'empêcher d'autres processus de devenir actifs. Les sémaphores peuvent être utilisés pour la synchronisation des entrées/sorties.

Les sémaphores aujourd'hui

Les sémaphores sont toujours utilisés dans les langages de programmation qui n'implémentent pas intrinsèquement d'autres formes de synchronisation. Ils sont le mécanisme primitif de synchronisation de beaucoup de systèmes d'exploitation. La tendance dans le développement des langages de programmation est de s'orienter vers des formes plus structurées de synchronisation comme les moniteurs. Outre les problèmes d'interblocages qu'ils peuvent provoquer, les sémaphores ne protègent pas les programmeurs de l'erreur courante qui est de bloquer un sémaphore par un processus qui est déjà bloqué par ce même processus, et d'oublier de libérer un sémaphore qui a été bloqué. Hoare, Hansen, Andrews, Wirth, et même Dijkstra ont jugé le sémaphore obsolète^{[réf. nécessaire]}.

Exemple d'usage du sémaphore

Sémaphores bloquants

Outre les sémaphores à compteur interne, il existe également les sémaphores bloquants. Un sémaphore bloquant est un sémaphore qui est initialisé avec la valeur 0. Ceci a pour effet de bloquer n'importe quel thread qui effectue P(S) tant qu'un autre thread n'aura pas fait un V(S). Ce type d'utilisation est très utile lorsque l'on a besoin de contrôler l'ordre d'exécution entre threads. Cette utilisation des sémaphores permet de réaliser des barrières de synchronisation.

Exclusion mutuelle

Il existe également le sémaphore binaire qui est une exclusion mutuelle (mutex). Il est toujours initialisé avec la valeur 1.

Résolution du problème des lecteurs/rédacteurs

Un problème classique pouvant être résolu à l'aide des sémaphores est le problème des lecteurs/rédacteurs. Ce problème traite de l'accès concurrent en lecture et en écriture à une ressource. Plusieurs processus légers (thread) peuvent lire en même temps la ressource, mais il ne peut y avoir qu'un et un seul thread en écriture.

Résolution du problème des producteurs/consommateurs

Lorsque des processus légers souhaitent communiquer entre eux, ils peuvent le faire par l'intermédiaire d'une file. Il faut définir le comportement à avoir lorsqu'un thread souhaite lire depuis la file lorsque celle-ci est vide et lorsqu'un thread souhaite écrire dans la file mais que celle-ci est pleine. Voir l'article sur le problème des producteurs et consommateurs.

Problèmes pouvant être induits par l'utilisation des sémaphores

Les sémaphores servant notamment à effectuer de la synchronisation, ils peuvent conduire à des situations indésirables, par exemple

• Interblocage
• Inversion de priorité