排他制御とは
排他制御（Mutual Exclusion）は、マルチタスク処理環境において、データの衝突やリソース競合を避けるために、共有リソースへのアクセスを調整し管理する技術です。
排他制御は同時に一つのプロセスまたはスレッドだけが特定のリソースにアクセスできることを保証します。
定義と基本概念
排他制御の基本概念は、ある機構を通じて共有リソースがいつでも一つのプロセスだけによってアクセスできることを確保することです。この機構はロック、セマフォ、モニターなどがあります。
排他制御の必要性
マルチタスクオペレーティングシステムでは、複数のプロセスやスレッドが同時に共有リソースにアクセスして変更することがあります。適切な制御がないと、データ競合や不整合が発生し、システムの安定性と信頼性に影響を及ぼす可能性があります。
日常生活における排他制御の例
日常生活では、排他制御に似た概念がよく見られます。例えば：
- 洗濯機の使用：一つの共有洗濯機があるコインランドリーでは、一人が使用中の場合、他の人は待たなければなりません
- ATMの使用：同時に一つのATMしか一人の利用者にサービスを提供できず、他の利用者は列に並ばなければなりません
排他制御の基本原則
クリティカルセクションとは
クリティカルセクションとは、独占的にアクセスする必要がある共有リソースやコードセグメントを指します。データの整合性を保つため、临界区には一度に只一つのプロセスまたはスレッドしか入ることができません。
排他制御の条件
- 相互排他：いつでも、最多で一つのプロセスまたはスレッドしか临界区に入れません
- 入場の保証：临界区に入ることを要求したプロセスまたはスレッドは、最终的には入ることができます
- 待機の保証：临界区への入場を待つ時間は有限であり、無期限に待たされることはありません
排他制御の実装方法
ロック機構
ロック（Lock）機構は、基本的な排他制御方法であり、ロックとアンロックの操作を通じて、同じ时间に只一つのプロセスまたはスレッドが共有リソースにアクセスできるようにします。
セマフォとモニタ
セマフォ（Semaphore）：カウンターを使用して共有リソースへのアクセスを制御し、複数のリソースの場面に適しています。
パイプとメッセージキュー
モニタ（Monitor）：高度な同期メカニズムであり、共有リソースとそのアクセスプロセスをカプセル化し、排他制御の実装を簡素化します。