Аплет Rectangles
Исходные тексты
Описание текстов
Синхронизация потоков
Многопоточный режим работы открывает новые возможности для программистов, однако за эти возможности приходится расплачиваться усложнением процесса проектирования приложения и отладки. Основная трудность, с которой сталкиваются программисты, никогда не создававшие ранее многопоточные приложения, это синхронизация одновременно работающих потоков.
Для чего и когда она нужна?
Однопоточная программа, такая, например, как программа MS-DOS, при запуске получает в монопольное распоряжение все ресурсы компьютера. Так как в однопоточной системе существует только один процесс, он использует эти ресурсы в той последовательности, которая соответствует логике работы программы. Процессы и потоки, работающие одновременно в многопоточной системе, могут пытаться обращаться одновременно к одним и тем же ресурсам, что может привести к неправильной работе приложений.
Поясним это на простом примере.
Пусть мы создаем программу, выполняющую операции с банковским счетом. Операция снятия некоторой суммы денег со счета может происходить в следующей последовательности:
- на первом шаге проверяется общая сумма денег, которая хранится на счету;
- если общая сумма равна или превышает размер снимаемой суммы денег, общая сумма уменьшается на необходимую величину;
- значение остатка записывается на текущий счет.
Если операция уменьшения текущего счета выполняется в однопоточной системе, то никаких проблем не возникнет. Однако представим себе, что два процесса пытаются одновременно выполнить только что описанную операцию с одним и тем же счетом. Пусть при этом на счету находится 5 млн. долларов, а оба процесса пытаются снять с него по 3 млн. долларов.
Допустим, события разворачиваются следующим образом:
- первый процесс проверяет состояние текущего счета и убеждается, что на нем хранится 5 млн. долларов;
- второй процесс проверяет состояние текущего счета и также убеждается, что на нем хранится 5 млн. долларов;
- первый процесс уменьшает счет на 3 млн. долларов и записывает остаток (2 млн. долларов) на текущий счет;
- второй процесс выполняет ту же самую операцию, так как после проверки считает, что на счету по-прежнему хранится 5 млн. долларов.
В результате получилось, что со счета, на котором находилось 5 млн. долларов, было снято 6 млн. долларов, и при этом там осталось еще 2 млн. долларов! Итого - банку нанесен ущерб в 3 млн. долларов.
Как же составить программу уменьшения счета, чтобы она не позволяла вытворять подобное?
Очень просто - на время выполнения операций над счетом одним процессом необходимо запретить доступ к этому счету со стороны других процессов. В этом случае сценарий работы программы должен быть следующим:
- процесс блокирует счет для выполнения операций другими процессами, получая его в монопольное владение;
- процесс проводит процедуру уменьшения счета и записывает на текущий счет новое значение остатка;
- процесс разблокирует счет, разрешая другим процессам выполнение операций.
Когда первый процесс блокирует счет, он становится недоступен другим процессам. Если второй процесс также попытается заблокировать этот же счет, он будет переведен в состояние ожидания. Когда первый процесс уменьшит счет и на нем останется 2 млн. долларов, второй процесс будет разблокирован. Он проверит остаток, убедится, что сумма недостаточна и не будет проводить операцию.
Таким образом, в многопоточной среде необходима синхронизация потоков при обращении к критическим ресурсам. Если над такими ресурсами будут выполняться операции в неправильной последовательности, это приведет к возникновению трудно обнаруживаемых ошибок.
В языке программирования Java предусмотрено несколько средств для синхронизации потоков, которые мы сейчас рассмотрим.
Синхронизация методов
Возможность синхронизации как бы встроена в каждый объект, создаваемый приложением Java. Для этого объекты снабжаются защелками, которые могут быть использованы для блокировки потоков, обращающихся к этим объектам.
Чтобы воспользоваться защелками, вы можете объявить соответствующий метод как synchronized, сделав его синхронизированным:
public synchronized void decrement() { . . . }При вызове синхронизированного метода соответствующий ему объект (в котором он определен) блокируется для использования другими синхронизированными методами. В результате предотвращается одновременная запись двумя методами значений в область памяти, принадлежащую данному объекту.
Использование синхронизированных методов - достаточно простой способ синхронизации потоков, обращающихся к общим критическим ресурсам, наподобие описанного выше банковского счета.
Заметим, что не обязательно синхронизовать весь метод - можно выполнить синхронизацию только критичного фрагмента кода.
. . . synchronized(Account) { if(Account.check(3000000)) Account.decrement(3000000); } . . .Здесь синхронизация выполняется для объекта Account.
Блокировка потока
Синхронизированный поток, определенный как метод типа synchronized, может переходить в заблокированное состояние автоматически при попытке обращения к ресурсу, занятому другим синхронизированным методом, либо при выполнении некоторых операций ввода или вывода. Однако в ряде случаев полезно иметь более тонкие средства синхронизации, допускающие явное использование по запросу приложения.
Блокировка на заданный период времени
С помощью метода sleep можно заблокировать поток на заданный период времени:
try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException ee) { . . . }В данном примере работа потока Thread приостанавливается на 500 миллисекунд. Заметим, что во время ожидания приостановленный поток не отнимает ресурсы процессора.
Так как метод sleep может создавать исключение InterruptedException, необходимо предусмотреть его обработку. Для этого мы использовали операторы try и catch.
Временная приостановка и возобновление работы
Методы suspend и resume позволяют, соответственно, временно приостанавливать и возобновлять работу потока.
В следующем фрагменте кода поток m_Rectangles приостанавливает свою работу, когда курсор мыши оказывается над окном аплета:
public boolean mouseEnter(Event evt, int x, int y) { if (m_Rectangles != null) { m_Rectangles.suspend(); } return true; }Работа потока возобновляется, когда курсор мыши покидает окно аплета:
public boolean mouseExit(Event evt, int x, int y) { if (m_Rectangles != null) { m_Rectangles.resume(); } return true; }Ожидание извещения
Если вам нужно организовать взаимодействие потоков таким образом, чтобы один поток управлял работой другого или других потоков, вы можете воспользоваться методами wait, notify и notifyAll, определенными в классе Object.
Метод wait может использоваться либо с параметром, либо без параметра. Этот метод переводит поток в состояние ожидания, в котором он будет находиться до тех пор, пока для потока не будет вызван извещающий метод notify, notifyAll, или пока не истечет период времени, указанный в параметре метода wait.
Как пользоваться методами wait, notify и notifyAll?
Метод, который будет переводиться в состояние ожидания, должен быть синхронизированным, то есть его следует описать как synchronized:
public synchronized void run() { while (true) { . . . try { this.wait(); } catch (InterruptedException e) { } } }В этом примере внутри метода run определен цикл, вызывающий метод wait без параметров. Каждый раз при очередном проходе цикла метод run переводится в состояние ожидания до тех пор, пока другой поток не выполнит извещение с помощью метода notify.
Ниже мы привели пример потока, вызывающией метод notify:
public void run() { while (true) { try { Thread.sleep(30); } catch (InterruptedException e) { } synchronized(STask) { STask.notify(); } } }Этот поток реализован в рамках отдельного класса, конструктору которого передается ссылка на поток, вызывающую метод wait. Эта ссылка хранится в поле STask.
Обратите внимание, что хотя сам метод run не синхронизированный, вызов метода notify выполняется в синхронизированном режиме. В качестве объекта синхронизации выступает поток, для которого вызывается метод notify.
Ожидание завершения потока
С помощью метода join вы можете выполнять ожидание завершения работы потока, для которой этот метод вызван.
Существует три определения метода join:
public final void join(); public final void join(long millis); public final void join(long millis, int nanos);Первый из них выполняет ожидание без ограничения во времени, для второго ожидание будет прервано принудительно через millis миллисекунд, а для третьего - через millis миллисекунд и nanos наносекунд. Учтите, что реально вы не сможете указывать время с точностью до наносекунд, так как дискретность системного таймера компьютера намного больше.
Лекция № 9. Синхронизация процессов и потоков
1. Цели и средства синхронизации.
2. Механизмы синхронизации.
1.Цели и средства синхронизации
Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с помощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков. Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной операционной системе и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов вычислительной системы. Синхронизация необходима для исключения гонок и тупиков при обмене данными между потоками, разделении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.
Во многих операционных системах эти средства называются средствами межпроцессного взаимодействия - Inter Process Communications (IPC), что отражает историческую первичность понятия «процесс» по отношению к понятию «поток». Обычно к средствам IPC относят не только средства межпроцессной синхронизации, но и средства межпроцессного обмена данными.
Выполнение потока в мультипрограммной среде всегда имеет асинхронный характер. Очень сложно с полной определенностью сказать, на каком этапе выполнения будет находиться процесс в определенный момент времени. Даже в однопрограммном режиме не всегда можно точно оценить время выполнения задачи. Это время во многих случаях существенно зависит от значения исходных данных, которые влияют на количество циклов, направления разветвления программы, время выполнения операций ввода-вывода и т. п. Так как исходные данные в разные моменты запуска задачи могут быть разными, то и время выполнения отдельных этапов и задачи в целом является весьма неопределенной величиной.
Еще более неопределенным является время выполнения программы в мультипрограммной системе. Моменты прерывания потоков, время нахождения их в очередях к разделяемым ресурсам, порядок выбора потоков для выполнения - все эти события являются результатом стечения многих обстоятельств и могут быть интерпретированы как случайные. В лучшем случае можно оценить вероятностные характеристики вычислительного процесса, например вероятность его завершения за данный период времени.
Таким образом, потоки в общем случае (когда программист не предпринял специальных мер по их синхронизации) протекают независимо, асинхронно друг другу. Это справедливо как по отношению к потокам одного процесса, выполняющим общий программный код, так и по отношению к потокам разных процессов, каждый из которых выполняет собственную программу.
Любое взаимодействие процессов или потоков связано с их синхронизацией, которая заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступлении этого события. Синхронизация лежит в основе любого взаимодействия потоков, связано ли это взаимодействие с разделением ресурсов или с обменом данными. Например, поток-получатель должен обращаться за данными только после того, как они помещены в буфер потоком-отправителем. Если же поток-получатель обратился к данным до момента их поступления в буфер, то он должен быть приостановлен.
При совместном использовании аппаратных ресурсов синхронизация также совершенно необходима. Когда, например, активному потоку требуется доступ к последовательному порту, а с этим портом в монопольном режиме работает другой поток, находящийся в данный момент в состоянии ожидания, то ОС приостанавливает активный поток и не активизирует его до тех пор, пока нужный ему порт не освободится. Часто нужна также синхронизация с событиями, внешними по отношению к вычислительной системе, например реакции на нажатие комбинации клавиш Ctrl+C.
Ежесекундно в системе происходят сотни событий, связанных с распределением и освобождением ресурсов, и ОС должна иметь надежные и производительные средства, которые бы позволяли ей синхронизировать потоки с происходящими в системе событиями.
Для синхронизации потоков прикладных программ программист может использовать как собственные средства и приемы синхронизации, так и средства операционной системы. Например, два потока одного прикладного процесса могут координировать свою работу с помощью доступной для них обоих глобальной логической переменной, которая устанавливается в единицу при осуществлении некоторого события, например выработки одним потоком данных, нужных для продолжения работы другого. Однако во многих случаях более эффективными или даже единственно возможными являются средства синхронизации, предоставляемые операционной системой в форме системных вызовов. Так, потоки, принадлежащие разным процессам, не имеют возможности вмешиваться каким-либо образом в работу друг друга. Без посредничества операционной системы они не могут приостановить друг друга или оповестить о произошедшем событии. Средства синхронизации используются операционной системой не только для синхронизации прикладных процессов, но и для ее внутренних нужд.
Обычно разработчики операционных систем предоставляют в распоряжение прикладных и системных программистов широкий спектр средств синхронизации. Эти средства могут образовывать иерархию, когда на основе более простых средств строятся более сложные, а также быть функционально специализированными, например средства для синхронизации потоков одного процесса, средства для синхронизации потоков разных процессов при обмене данными и т. д. Часто функциональные возможности разных системных вызовов синхронизации перекрываются, так что для решения одной задачи программист может воспользоваться несколькими вызовами в зависимости от своих личных предпочтений.
Необходимость синхронизации и гонки
Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может привести к неправильному решению задачи или даже к краху системы. Рассмотрим, например (рис. 4.16), задачу ведения базы данных клиентов некоторого предприятия. Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой среди прочих полей имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу данных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе поток А, который заносит в базу данных информацию о заказах, поступивших от клиентов, и поток В, который фиксирует в базе данных сведения об оплате клиентами выставленных счетов. Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы, включающие три шага.
2. Внести новое значение в поле Заказ (для потока А) или Оплата (для потока В).
3. Вернуть модифицированную запись в файл базы данных.
https://pandia.ru/text/78/239/images/image002_238.gif" width="505" height="374 src=">
Рис. 4.17. Влияние относительных скоростей потоков на результат решения задачи
Критическая секция
Важным понятием синхронизации потоков является понятие «критической секции» программы. Критическая секция - это часть программы, результат выполнения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда выполнение этой части еще не завершено. Критическая секция всегда определяется по отношению к определенным критическим данным, при несогласованном изменении которых могут возникнуть нежелательные эффекты. В предыдущем примере такими критическими данными являлись записи файла базы данных. Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция. Заметим, что в разных потоках критическая секция состоит в общем случае из разных последовательностей команд.
Чтобы исключить эффект гонок по отношению к критическим данным, необходимо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, связанной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, находится этот поток в активном или в приостановленном состоянии. Этот прием называют взаимным исключением. Операционная система использует разные способы реализации взаимного исключения. Некоторые способы пригодны для взаимного исключения при вхождении в критическую секцию только потоков одного процесса, в то время как другие могут обеспечить взаимное исключение и для потоков разных процессов.
Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения взаимного исключения состоит в том, что операционная система позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управление системой пользовательскому потоку - он может надолго занять процессор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.
2. Механизмы синхронизации.
Блокирующие переменные
Для синхронизации потоков одного процесса прикладной программист может использовать глобальные блокирующие переменные. С этими переменными, к которым все потоки процесса имеют прямой доступ, программист работает, не обращаясь к системным вызовам ОС.
Которые бы запрещали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.
Реализация взаимного исключения описанным выше способом имеет существенный недостаток: в течение времени, когда один поток находится в критической секции, другой поток, которому требуется тот же ресурс, получив доступ к процессору, будет непрерывно опрашивать блокирующую переменную, бесполезно тратя выделяемое ему процессорное время, которое могло бы быть использовано для выполнения какого-нибудь другого потока. Для устранения этого недостатка во многих ОС предусматриваются специальные системные вызовы для работы с критическими секциями.
На рис. 4.19 показано, как с помощью этих функций реализовано взаимное исключение в операционной системе Windows NT. Перед тем как начать изменение критических данных, поток выполняет системный вызов EnterCriticalSection(). В рамках этого вызова сначала выполняется, как и в предыдущем случае, проверка блокирующей переменной, отражающей состояние критического ресурса. Если системный вызов определил, что ресурс занят (F(D) = 0), он в отличие от предыдущего случая не выполняет циклический опрос, а переводит поток в состояние ожидания (D) и делает отметку о том, что данный поток должен быть активизирован, когда соответствующий ресурс освободится. Поток, который в это время использует данный ресурс, после выхода из критической секции должен выполнить системную функцию LeaveCriticalSectionO, в результате чего блокирующая переменная принимает значение, соответствующее свободному состоянию ресурса (F(D) = 1), а операционная система просматривает очередь ожидающих этот ресурс потоков и переводит первый поток из очереди в состояние готовности.
Накладные расходы" href="/text/category/nakladnie_rashodi/" rel="bookmark">накладные расходы ОС по реализации функции входа в критическую секцию и выхода из нее могут превысить полученную экономию.
Семафоры
Обобщением блокирующих переменных являются так называемые семафоры Дийкстры. Вместо двоичных переменных Дийкстра (Dijkstra) предложил использовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процессов, получили название семафоров.
Для работы с семафорами вводятся два примитива, традиционно обозначаемых Р и V. Пусть переменная S представляет собой семафор. Тогда действия V(S) и P(S) определяются следующим образом.
* V(S): переменная S увеличивается на 1 единым действием. Выборка, наращивание и запоминание не могут быть прерваны. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.
* P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если 5=0 и невозможно уменьшить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.
Никакие прерывания во время выполнения примитивов V и Р недопустимы.
В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную, которую по этой причине часто называют двоичным семафором. Операция Р заключает в себе потенциальную возможность перехода потока, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как операция V может при некоторых обстоятельствах активизировать другой поток, приостановленный операцией Р.
Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух выполняющихся в режиме мультипрограммирования потоков, один из которых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула. Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. В общем случае поток-писатель и поток-читатель могут иметь различные скорости и обращаться к буферному пулу с переменой интенсивностью. В один период скорость записи может превышать скорость чтения, в другой - наоборот. Для правильной совместной работы поток-писатель должен приостанавливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, поток-читатель должен приостанавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи.
Введем два семафора: е - число пустых буферов, и f - число заполненных буферов, причем в исходном состоянии е = N, a f = 0. Тогда работа потоков с общим буферным пулом может быть описана следующим образом (рис. 4.20).
Поток-писатель прежде всего выполняет операцию Р(е), с помощью которой он проверяет, имеются ли в буферном пуле незаполненные буферы. В соответствии с семантикой операции Р, если семафор е равен 0 (то есть свободных буферов в данный момент нет), то поток-писатель переходит в состояние ожидания. Если же значением е является положительное число, то он уменьшает число свободных буферов, записывает данные в очередной свободный буфер и после этого наращивает число занятых буферов операцией V(f). Поток-читатель действует аналогичным образом, с той разницей, что он начинает работу с проверки наличия заполненных буферов, а после чтения данных наращивает количество свободных буферов.
DIV_ADBLOCK860">
Семафор может использоваться и в качестве блокирующей переменной. В рассмотренном выше примере, для того чтобы исключить коллизии при работе с разделяемой областью памяти, будем считать, что запись в буфер и считывание из буфера являются критическими секциями. Взаимное исключение будем обеспечивать с помощью двоичного семафора b (рис. 4.21). Оба потока после проверки доступности буферов должны выполнить проверку доступности критической секции.
https://pandia.ru/text/78/239/images/image007_110.jpg" width="495" height="639 src=">
Рис. 4.22. Возникновение взаимных блокировок при выполнении программы
ПРИМЕЧАНИЕ
Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: поток приостанавливается и ждет освобождения ресурса. Однако очередь - это нормальное явление, неотъемлемый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступлении запросов. Очередь появляется тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но освободится через некоторое время, позволив потоку продолжить выполнение. Тупик же, что видно из его названия, является в некотором роде неразрешимой ситуацией. Необходимым условием возникновения тупика является потребность потока сразу в нескольких ресурсах.
В рассмотренных примерах тупик был образован двумя потоками, но взаимно блокировать друг друга может и большее число потоков. На рис. 2.23 показано такое распределение ресурсов Ri между несколькими потоками Tj, которое привело к возникновению взаимных блокировок. Стрелки обозначают потребность потока в ресурсах. Сплошная стрелка означает, что соответствующий ресурс был выделен потоку, а пунктирная стрелка соединяет поток с тем ресурсом, который необходим, но не может быть пока выделен, поскольку занят другим потоком. Например, потоку Т1 для выполнения работы необходимы ресурсы R1 и R2, из которых выделен только один - R1, а ресурс R2 удерживается потоком Т2. Ни один из четырех показанных на рисунке потоков не может продолжить свою работу, так как не имеет всех необходимых для этого ресурсов.
Невозможность потоков завершить начатую работу из-за возникновения взаимных блокировок снижает производительность вычислительной системы. Поэтому проблеме предотвращения тупиков уделяется большое внимание. На тот случай, когда взаимная блокировка все же возникает, система должна предоставить администратору-оператору средства, с помощью которых он смог бы распознать тупик, отличить его от обычной блокировки из-за временной недоступности ресурсов. И наконец, если тупик диагностирован, то нужны средства для снятия взаимных блокировок и восстановления нормального вычислительного процесса.
Владелец" href="/text/category/vladeletc/" rel="bookmark">владельцем , устанавливая его в несигнальное состояние, и входит в критическую секцию. После того как поток выполнил работу с критическими данными, он «отдает» мьютекс, устанавливая его в сигнальное состояние. В этот момент мьютекс свободен и не принадлежит ни одному потоку. Если какой-либо поток ожидает его освобождения, то он становится следующим владельцем этого мьютекса, одновременно мьютекс переходит в несигнальное состояние.
Объект-событие (в данном случае слово «событие» используется в узком смысле, как обозначение конкретного вида объектов синхронизации) обычно используется не для доступа к данным, а для того, чтобы оповестить другие потоки о том, что некоторые действия завершены. Пусть, например, в некотором приложении работа организована таким образом, что один поток читает данные из файла в буфер памяти, а другие потоки обрабатывают эти данные, затем первый поток считывает новую порцию данных, а другие потоки снова ее обрабатывают и так далее. В начале работы первый поток устанавливает объект-событие в несигнальное состояние. Все остальные потоки выполнили вызов Wait(X), где X - указатель события, и находятся в приостановленном состоянии, ожидая наступления этого события. Как только буфер заполняется, первый поток сообщает об этом операционной системе, выполняя вызов Set(X). Операционная система просматривает очередь ожидающих потоков и активизирует все потоки, которые ждут этого события.
Сигналы
Сигнал дает возможность задаче реагировать на событие, источником которого может быть операционная система или другая задача. Сигналы выбывают прерывание задачи и выполнение заранее предусмотренных действий. Сигналы могут вырабатываться синхронно, то есть как результат работы самого процесса, а могут быть направлены процессу другим процессом, то есть вырабатываться асинхронно. Синхронные сигналы чаще всего приходят от системы прерываний процессора и свидетельствуют о действиях процесса, блокируемых аппаратурой, например деление на нуль, ошибка адресации, нарушение защиты памяти и т. д.
Примером асинхронного сигнала является сигнал с терминала. Во многих ОС предусматривается оперативное снятие процесса с выполнения. Для этого пользователь может нажать некоторую комбинацию клавиш (Ctrl+C, Ctrl+Break), в результате чего ОС вырабатывает сигнал и направляет его активному процессу. Сигнал может поступить в любой момент выполнения процесса (то есть он является асинхронным), требуя от процесса немедленного завершения работы. В данном случае реакцией на сигнал является безусловное завершение процесса.
В системе может быть определен набор сигналов. Программный код процесса, которому поступил сигнал, может либо проигнорировать его, либо прореагировать на него стандартным действием (например, завершиться), либо выполнить специфические действия, определенные прикладным программистом. В последнем случае в программном коде необходимо предусмотреть специальные системные вызовы, с помощью которых операционная система информируется, какую процедуру надо выполнить в ответ на поступление того или иного сигнала.
Сигналы обеспечивают логическую связь между процессами, а также между процессами и пользователями (терминалами). Поскольку посылка сигнала предусматривает знание идентификатора процесса, то взаимодействие посредством сигналов возможно только между родственными процессами, которые могут получить данные об идентификаторах друг друга.
В распределенных системах, состоящих из нескольких процессоров, каждый из которых имеет собственную оперативную память, блокирующие переменные, семафоры, сигналы и другие аналогичные средства, основанные на разделяемой памяти, оказываются непригодными. В таких системах синхронизация может быть реализована только посредством обмена сообщениями.
Потоки могут находиться в одном из нескольких состояний:
Ready (готов) – находящийся в пуле (pool) потоков, ожидающих выполнения;
Running (выполнение) - выполняющийся на процессоре;
Waiting (ожидание), также называется idle или suspended, приостановленный - в состоянии ожидания, которое завершается тем, что поток начинает выполняться (состояние Running) или переходит в состояние Ready ;
Terminated (завершение) - завершено выполнение всех команд потока. Впоследствии его можно удалить. Если поток не удален, система может вновь установить его в исходное состояние для последующего использования.
Синхронизация потоков
Выполняющимся потокам часто необходимо каким-то образом взаимодействовать. Например, если несколько потоков пытаются получить доступ к некоторым глобальным данным, то каждому потоку нужно предохранять данные от изменения другим потоком. Иногда одному потоку нужно получить информацию о том, когда другой поток завершит выполнение задачи. Такое взаимодействие обязательно между потоками как одного, так и разных процессов.
Синхронизация потоков (thread synchronization ) - это обобщенный термин, относящийся к процессу взаимодействия и взаимосвязи потоков. Учтите, что синхронизация потоков требует привлечения в качестве посредника самой операционной системы. Потоки не могут взаимодействовать друг с другом без ее участия.
В Win32 существует несколько методов синхронизации потоков. Бывает, что в конкретной ситуаций один метод более предпочтителен, чем другой. Давайте вкратце ознакомимся с этими методами.
Критические секции
Один из методов синхронизации потоков состоит в использовании критических секций (critical sections). Это единственный метод синхронизации потоков, который не требует привлечения ядра Windows. (Критическая секция не является объектом ядра). Однако этот метод может использоваться только для синхронизации потоков одного процесса.
Критическая секция - это некоторый участок кода, который в каждый момент времени может выполняться только одним из потоков. Если код, используемый для инициализации массива, поместить в критическую секцию, то другие потоки не смогут войти в этот участок кода до тех пор, пока первый поток не завершит его выполнение.
До использования критической секции необходимо инициализировать ее с помощью процедуры Win32 API InitializeCriticalSection(), которая определяется (в Delphi) следующим образом:
procedure InitializeCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
Параметр IpCriticalSection представляет собой запись типа TRTLCriticalSection, которая передается по ссылке. Точное определение записи TRTLCriticalSection не имеет большого значения, поскольку вам вряд ли понадобится когда-либо заглядывать в ее содержимое. От вас требуется лишь передать неинициализированную запись в параметр IpCtitical Section, и эта запись будет тут же заполнена процедурой.
После заполнения записи в программе можно создать критическую секцию, поместив некоторый участок ее текста между вызовами функций EnterCriticalSection() и LeaveCriticalSection(). Эти процедуры определяются следующим образом:
procedure EnterCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
procedure LeaveCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
Параметр IpCriticalSection, который передается этим процедурам, является не чем иным, как записью, созданной процедурой InitializeCriticalSection().
Функция EnterCriticalSection проверяет, не выполняет ли уже какой-нибудь другой поток критическую секцию своей программы, связанную с данным объектом критической секции. Если нет, поток получает разрешение на выполнение своего критического кода, точнее, ему не запрещают это делать. Если да, то поток, обратившийся с запросом, переводится в состояние ожидания, а о запросе делается запись. Так как нужно создавать записи, объект «критическая секция» представляет собой структуру данных.
Когда функция LeaveCriticalSection вызывается потоком, который владеет в текущий момент разрешением на выполнение своей критической секции кода, связанной с данным объектом «критическая секция», система может проверить, нет ли в очереди другого потока, ожидающего освобождения этого объекта. Затем система может вынести ждущий поток из состояния ожидания, и он продолжит свою работу (в выделенные ему кванты времени).
По окончании работы с записью TRTLCriticalSection необходимо освободить ее, вызвав процедуру DeleteCriticalSection(), которая определяется следующим образом:
procedure DeleteCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;
. Синхронизация потоковДля синхронизации действий, выполняемых разными потоками существует несколько различных способов. Условно их можно разделить на следующие:
· синхронизация с помощью глобальных переменных
· синхронизация с помощью обмена событиями
· синхронизация с помощью специальных объектов (событий, семафоров, критических секций, объектов исключительного владения и других)
Первый метод синхронизации следует признать самым неудачным, так как он требует постоянного опроса состояния глобальной переменной. У этого метода есть и более серьезные недостатки - так, например, возможна полная блокировка потоков, если поток, ожидающий изменения глобальной переменной имеет более высокий приоритет, чем поток, изменяющий эту переменную. Правда, его можно несколько улучшить - вводя дополнительные временные задержки между последовательными опросами.
Второй метод потребует создания объектов, способных получать сообщения или извещения о выполнении некоторых действий. Это могут быть окна, файлы (например, при использовании асинхронных операций или операций с уведомлением), каталоги и т.д. Во многих случаях может быть удобно создать невидимое окно, участвующее в обмене сообщениями или ожидающее получения сообщений для выполнения тех или иных действий.
Третий метод - синхронизация с помощью специальных объектов - потребует рассмотрения разных объектов и разных методов синхронизации с использованием объектов. В Win32 API существует большое число объектов, которые могут быть применены в качестве синхронизирующих, причем во многих случаях вместо одного объекта может применяться объект другого типа. Поэтому будет интересно рассмотреть несколько основных методов синхронизации с использованием объектов.
Общие представления о методах синхронизации
При рассмотрении способов синхронизации удобно выделить несколько основных способов, применяемых разными операционными системами. В числе таких способов можно выделить четыре метода:
· критические секции
· объекты исключительного владения
· события
· синхронизация группой объектов
Последовательно рассмотрим эти основные методы, используя в качестве примера функции по работе с глобальной кучей. Попробуем абстрактно разобраться со свойствами этих функций, что бы понять, какие методы синхронизации и в каких случаях удобно применять.
Во–первых, глобальную кучу в целом можно рассматривать как некий сложный объект, над которым могут выполняться некоторые операции (пока мы рассматриваем только операции над кучей в целом, не вдаваясь в нюансы работы с отдельными блоками - при необходимости доступ к отдельным блокам кучи должен быть синхронизирован, но это уже не функции кучи, а проблема того, кто пользуется кучей).
Часть операций, например получение указателя на какой–либо блок в куче, не нуждается в изменении самой кучи. То есть функции, осуществляющие подобные операции могут выполняться одновременно разными потоками не конфликтуя друг с другом. Такие функции удобно назвать “читателями” - они не изменяют кучу как единый объект.
Другие операции, например выделение нового блока в куче, требуют внесения изменений в кучу - изменения в цепочке выделяемых блоков. Обычно такие изменения осуществляются не в одном месте, а требуется согласованное внесение изменений в нескольких структурах данных. В процессе такой операции структура кучи какое–то время оказывается нарушенной, вследствие чего одновременное выполнение таких действий должно быть исключено. Такие функции удобно назвать “писателями” - они изменяют кучу как единый объект.
Применительно к куче возможен одновременный доступ нескольких читателей и исключительный - писателей. Более того, если к куче получает доступ писатель, то читатели также должны быть лишены доступа (в других случаях это может быть не так - читатели могут работать одновременно с писателем).
Можно сформулировать несколько правил для работы с таким объектом:
· если к объекту имеет доступ писатель, то ни читатели, ни другие писатели доступа не имеют;
· если к объекту имеет доступ читатель, то возможен одновременный доступ других читателей и запрещен доступ писателям;
· если объект свободен, то первый пришедший писатель или читатель имеет право доступа.
Рассмотренный пример очень удобен, так как подобная ситуация (много читателей, единственный писатель) встречается сплошь и рядом - а стандартного объекта для синхронизации доступа к такому объекту нет. Благодаря этому такой пример становится благодатной почвой для рассмотрения разных способов синхронизации.
Даже при простейшем анализе такой таблицы можно заметить, что писатели находятся в неравном положении - при достаточно большом числе читателей и писателей возможна полная блокировка последних, так как читатели могут получать право одновременного доступа к объекту, так что возможна ситуация, когда объект вообще не будет освобожден для писателей - хоть один читатель да найдется. Для выхода из такой ситуации следует слегка модифицировать реакцию объекта во 1м случае - если имеется ожидающий поток–писатель, то надо разрешить доступ ему, а не читателю. Для полной “симметрии” следует в 4м случае проверять наличие читателей и разрешать им доступ, даже если имеется ожидающий поток–писатель. Такой механизм, хотя и достаточно сложный в реализации, обеспечит более–менее равные права для выполнения потоков разного типа.
Критические секции
Этот синхронизирующий объект может использоваться только локально внутри процесса, создавшего его. Остальные объекты могут быть использованы для синхронизации потоков разных процессов. Название объекта “критическая секция” связано с некоторым абстрактным выделением части программного кода (секции), выполняющего некоторые операции, порядок которых не может быть нарушен. То есть попытка двумя разными потоками одновременно выполнять код этой секции приведет к ошибке.
Например, такой секцией может быть удобно защитить функции–писатели, так как одновременный доступ нескольких писателей должен быть исключен.
Для критической секции вводят две операции:
· войти в секцию;
Пока какой–либо поток находится в критической секции, все остальные потоки при попытке войти в нее будут автоматически останавливаться в ожидании. Поток, уже вошедший в эту секцию, может входить в нее многократно, не ожидая ее освобождения.
· покинуть секцию;
При покидании потоком секции уменьшается счетчик числа вхождений этого потока в секцию, так что секция будет освобождена для других потоков только если поток выйдет из секции столько раз, сколько раз в нее входил. При освобождении критической секции будет пробужден только один поток, ожидающий разрешения на вход в эту секцию.
Вообще говоря, в других API, отличных от Win32 (например, OS/2), критическая секция рассматривается не как синхронизирующий объект, а как фрагмент кода программы, который может исполняться только одним потоком приложения. То есть вход в критическую секцию рассматривается как временное выключение механизма переключения потоков до выхода из этой секции. В Win32 API критические секции рассматриваются как объекты, что приводит к определенной путанице - они очень близки по своим свойствам к неименованным объектам исключительного владения (mutex, см. ниже).
При использовании критических секций надо следить, что бы в секции не выделялись чересчур большие фрагменты кода, так как это может привести к существенным задержкам в выполнении других потоков.
Например, применительно к уже рассмотренным кучам - не имеет смысла все функции по работе с кучей защищать критической секцией, так как функции–читатели могут выполняться параллельно. Более того, применение критической секции даже для синхронизации писателей на самом деле представляется малоудобным - так как для синхронизации писателя с читателями последним все–равно придется входить в эту секцию, что практически приводит к защите всех функций единой секцией.
Можно выделить несколько случаев эффективного применения критических секций:
· читатели не конфликтуют с писателями (защищать надо только писателей);
· все потоки имеют примерно равные права доступа (скажем, нельзя выделить чистых писателей и читателей);
· при построении составных синхронизирующих объектов, состоящих из нескольких стандартных, для защиты последовательных операций над составным объектом.
Объекты исключительного владения
Объекты исключительного владения - mutex (mut ualex clusion) - могут принадлежать только одному потоку одновременно. Соответственно определяются операции над этими объектами:
· затребовать владение объектом;
При запросе владения система проверяет, владеет–ли какой–либо другой поток этим объектом или нет. Если имеется другой поток–владелец, то данный поток останавливается до тех пор, пока объект не освободиться. Как только объект становится свободным, система отдает его во владение новому потоку. Поток, уже владеющий объектом, может многократно вступать во владение им.
· освободить объект;
При освобождении объекта система просматривает, имеются–ли другие потоки, ожидающие освобождения этого объекта. Если имеются, то возобновит работу только один поток, а все остальные продолжат ожидание - объект mutex может быть во владении только у одного потока. Освобождать объект может только тот поток, который им в данный момент владеет, другие потоки этого сделать не могут. Для полного освобождения объекта поток должен столько раз освободить его, сколько раз он затребовал владение с того момента, как ему дали этот объект во владение.
Процессом (process) называется экземпляр программы, загруженной в память. Этот экземпляр может создавать нити (thread), которые представляют собой последовательность инструкций на выполнение. Важно понимать, что выполняются не процессы, а именно нити.
Причем любой процесс имеет хотя бы одну нить. Эта нить называется главной (основной) нитью приложения.
Так как практически всегда нитей гораздо больше, чем физических процессоров для их выполнения, то нити на самом деле выполняются не одновременно, а по очереди (распределение процессорного времени происходит именно между нитями). Но переключение между ними происходит так часто, что кажется, будто они выполняются параллельно.
В зависимости от ситуации нити могут находиться в трех состояниях. Во-первых, нить может выполняться, когда ей выделено процессорное время, т.е. она может находиться в состоянии активности. Во-вторых, она может быть неактивной и ожидать выделения процессора, т.е. быть в состоянии готовности. И есть еще третье, тоже очень важное состояние - состояние блокировки. Когда нить заблокирована, ей вообще не выделяется время. Обычно блокировка ставится на время ожидания какого-либо события. При возникновении этого события нить автоматически переводится из состояния блокировки в состояние готовности. Например, если одна нить выполняет вычисления, а другая должна ждать результатов, чтобы сохранить их на диск. Вторая могла бы использовать цикл типа "while(!isCalcFinished) continue;", но легко убедиться на практике, что во время выполнения этого цикла процессор занят на 100 % (это называется активным ожиданием). Таких вот циклов следует по возможности избегать, в чем оказывает неоценимую помощь механизм блокировки. Вторая нить может заблокировать себя до тех пор, пока первая не установит событие, сигнализирующее о том, что чтение окончено.
Синхронизация нитей в ОС Windows
В Windows реализована вытесняющая многозадачность - это значит, что в любой момент система может прервать выполнение одной нити и передать управление другой. Ранее, в Windows 3.1, использовался способ организации, называемый кооперативной многозадачностью: система ждала, пока нить сама не передаст ей управление и именно поэтому в случае зависания одного приложения приходилось перезагружать компьютер.
Все нити, принадлежащие одному процессу, разделяют некоторые общие ресурсы - такие, как адресное пространство оперативной памяти или открытые файлы. Эти ресурсы принадлежат всему процессу, а значит, и каждой его нити. Следовательно, каждая нить может работать с этими ресурсами без каких-либо ограничений. Но... Если одна нить еще не закончила работать с каким-либо общим ресурсом, а система переключилась на другую нить, использующую этот же ресурс, то результат работы этих нитей может чрезвычайно сильно отличаться от задуманного. Такие конфликты могут возникнуть и между нитями, принадлежащими различным процессам. Всегда, когда две или более нитей используют какой-либо общий ресурс, возникает эта проблема.
Пример. Несинхронизированная работа нитей: если временно приостановить выполнение нити вывода на экран (пауза), фоновая нить заполнения массива будет продолжать работать.
#include
Именно поэтому необходим механизм, позволяющий потокам согласовывать свою работу с общими ресурсами. Этот механизм получил название механизма синхронизации нитей (thread synchronization).
Этот механизм представляет собой набор объектов операционной системы, которые создаются и управляются программно, являются общими для всех нитей в системе (некоторые - для нитей, принадлежащих одному процессу) и используются для координирования доступа к ресурсам. В качестве ресурсов может выступать все, что может быть общим для двух и более нитей - файл на диске, порт, запись в базе данных, объект GDI, и даже глобальная переменная программы (которая может быть доступна из нитей, принадлежащих одному процессу).
Объектов синхронизации существует несколько, самые важные из них - это взаимоисключение (mutex), критическая секция (critical section), событие (event) и семафор (semaphore). Каждый из этих объектов реализует свой способ синхронизации. Также в качестве объектов синхронизации могут использоваться сами процессы и нити (когда одна нить ждет завершения другой нити или процесса); а также файлы, коммуникационные устройства, консольный ввод и уведомления об изменении.
Любой объект синхронизации может находиться в так называемом сигнальном состоянии. Для каждого типа объектов это состояние имеет различный смысл. Нити могут проверять текущее состояние объекта и/или ждать изменения этого состояния и таким образом согласовывать свои действия. При этом гарантируется, что когда нить работает с объектами синхронизации (создает их, изменяет состояние) система не прервет ее выполнения, пока она не завершит это действие. Таким образом, все конечные операции с объектами синхронизации являются атомарными (неделимыми.
Работа с объектами синхронизации
Чтобы создать тот или иной объект синхронизации, производится вызов специальной функции WinAPI типа Create... (напр. CreateMutex). Этот вызов возвращает дескриптор объекта (HANDLE), который может использоваться всеми нитями, принадлежащими данному процессу. Есть возможность получить доступ к объекту синхронизации из другого процесса - либо унаследовав дескриптор этого объекта, либо, что предпочтительнее, воспользовавшись вызовом функции открытия объекта (Open...). После этого вызова процесс получит дескриптор, который в дальнейшем можно использовать для работы с объектом. Объекту, если только он не предназначен для использования внутри одного процесса, обязательно присваивается имя. Имена всех объектов должны быть различны (даже если они разного типа). Нельзя, например, создать событие и семафор с одним и тем же именем.
По имеющемуся дескриптору объекта можно определить его текущее состояние. Это делается с помощью т.н. ожидающих функций. Чаще всего используется функция WaitForSingleObject. Эта функция принимает два параметра, первый из которых - дескриптор объекта, второй - время ожидания в мсек. Функция возвращает WAIT_OBJECT_0, если объект находится в сигнальном состоянии, WAIT_TIMEOUT - если истекло время ожидания, и WAIT_ABANDONED, если объект-взаимоисключение не был освобожден до того, как владеющая им нить завершилась. Если время ожидания указано равным нулю, функция возвращает результат немедленно, в противном случае она ждет в течение указанного промежутка времени. В случае, если состояние объекта станет сигнальным до истечения этого времени, функция вернет WAIT_OBJECT_0, в противном случае функция вернет WAIT_TIMEOUT. Если в качестве времени указана символическая константа INFINITE, то функция будет ждать неограниченно долго, пока состояние объекта не станет сигнальным.
Очень важен тот факт, что обращение к ожидающей функции блокирует текущую нить, т.е. пока нить находится в состоянии ожидания, ей не выделяется процессорного времени.
Критические секции
Объект-критическая секция помогает программисту выделить участок кода, где нить получает доступ к разделяемому ресурсу, и предотвратить одновременное использование ресурса. Перед использованием ресурса нить входит в критическую секцию (вызывает функцию EnterCriticalSection). Если после этого какая-либо другая нить попытается войти в ту же самую критическую секцию, ее выполнение приостановится, пока первая нить не покинет секцию с помощью вызова LeaveCriticalSection. Используется только для нитей одного процесса. Порядок входа в критическую секцию не определен.
Существует также функция TryEnterCriticalSection, которая проверяет, занята ли критическая секция в данный момент. С ее помощью нить в процессе ожидания доступа к ресурсу может не блокироваться, а выполнять какие-то полезные действия.
Пример. Синхронизация нитей с помощью критических секций.
#include
Взаимоисключения
Объекты-взаимоисключения (мьютексы, mutex - от MUTual EXclusion) позволяют координировать взаимное исключение доступа к разделяемому ресурсу. Сигнальное состояние объекта (т.е. состояние "установлен") соответствует моменту времени, когда объект не принадлежит ни одной нити и его можно "захватить". И наоборот, состояние "сброшен" (не сигнальное) соответствует моменту, когда какая-либо нить уже владеет этим объектом. Доступ к объекту разрешается, когда нить, владеющая объектом, освободит его.
Две (или более) нити могут создать мьютекс с одним и тем же именем, вызвав функцию CreateMutex. Первая нить действительно создает мьютекс, а следующие - получают дескриптор уже существующего объекта. Это дает возможность нескольким нитям получить дескриптор одного и того же мьютекса, освобождая программиста от необходимости заботиться о том, кто в действительности создает мьютекс. Если используется такой подход, желательно установить флаг bInitialOwner в FALSE, иначе возникнут определенные трудности при определении действительного создателя мьютекса.
Несколько нитей могут получить дескриптор одного и того же мьютекса, что делает возможным взаимодействие между процессами. Можно использовать следующие механизмы такого подхода:
- Дочерний процесс, созданный при помощи функции CreateProcess может наследовать дескриптор мьютекса в случае, если при создании мьютекса функцией CreateMutex был указан параметр lpMutexAttributes.
- Нить может получить дубликат существующего мьютекса с помощью функции DuplicateHandle.
- Нить может указать имя существующего мьютекса при вызове функций OpenMutex или CreateMutex.
Для того чтобы объявить взаимоисключение принадлежащим текущей нити, надо вызвать одну из ожидающих функций. Нить, которой принадлежит объект, может его "захватывать" повторно сколько угодно раз (это не приведет к самоблокировке), но столько же раз она должна будет его освобождать с помощью функции ReleaseMutex.
Для синхронизации нитей одного процесса более эффективно использование критических секций.
Пример. Синхронизация нитей с помощью мьютексов.
#include
События
Объекты-события используются для уведомления ожидающих нитей о наступлении какого-либо события. Различают два вида событий - с ручным и автоматическим сбросом. Ручной сброс осуществляется функцией ResetEvent. События с ручным сбросом используются для уведомления сразу нескольких нитей. При использовании события с автосбросом уведомление получит и продолжит свое выполнение только одна ожидающая нить, остальные будут ожидать дальше.
Функция CreateEvent создает объект-событие, SetEvent - устанавливает событие в сигнальное состояние, ResetEvent - сбрасывает событие. Функция PulseEvent устанавливает событие, а после возобновления ожидающих это событие нитей (всех при ручном сбросе и только одной при автоматическом), сбрасывает его. Если ожидающих нитей нет, PulseEvent просто сбрасывает событие.
Пример. Синхронизация нитей с помощью событий.
#include
Семафоры
Объект-семафор - это фактически объект-взаимоисключение со счетчиком. Данный объект позволяет "захватить" себя определенному количеству нитей. После этого "захват" будет невозможен, пока одна из ранее "захвативших" семафор нитей не освободит его. Семафоры применяются для ограничения количества нитей, одновременно работающих с ресурсом. Объекту при инициализации передается максимальное число нитей, после каждого "захвата" счетчик семафора уменьшается. Сигнальному состоянию соответствует значение счетчика больше нуля. Когда счетчик равен нулю, семафор считается не установленным (сброшенным).
Функция CreateSemaphore создает объект-семафор с указанием и максимально возможного начального его значения, OpenSemaphore – возвращает дескриптор существующего семафора, захват семафора производится с помощью ожидающих функций, при этом значение семафора уменьшается на единицу, ReleaseSemaphore - освобождение семафора с увеличением значения семафора на указанное в параметре число.
Пример. Синхронизация нитей с помощью семафоров.
#include
Защищенный доступ к переменным
Существует ряд функций, позволяющих работать с глобальными переменными из всех нитей, не заботясь о синхронизации, т.к. эти функции сами за ней следят – их выполнение атомарно. Это функции InterlockedIncrement, InterlockedDecrement, InterlockedExchange, InterlockedExchangeAdd и InterlockedCompareExchange. Например, функция InterlockedIncrement атомарно увеличивает значение 32-битной переменной на единицу, что удобно использовать для различных счетчиков.
Для получения полной информации о назначении, использовании и синтаксисе всех функций WIN32 API необходимо воспользоваться системой помощи MS SDK, входящей в состав сред программирования Borland Delphi или CBuilder, а также MSDN, поставляемым в составе системы программирования Visual C.