Синхронизация потоков с использованием объектов ядра

Критические секции, рассмотренные в предыдущем разделе, подходят для синхронизации потоков одного процесса. Задачу синхронизации потоков различных процессов принято решать с помощью объектов ядра. Объекту ядра может быть присвоено имя, они позволяют задавать тайм-аут для времени ожидания и обладают еще рядом возможностей для реализации гибких сценариев синхронизации. Однако их использование связано с переходом в режим ядра (примерно 1000 тактов процессора), то есть они работают несколько медленнее, нежели критические секции.

Почти все объекты ядра, рассмотренные ранее, в том числе, процессы, потоки и файлы, пригодны для решения задач синхронизации. В контексте задач синхронизации о каждом из объектов можно сказать, находится ли он в свободном (сигнальном, signaled state) или занятом (nonsignaled state) состоянии. Правила перехода объекта из одного состояния в другое зависят от объекта. Например, если поток выполняется, то он находится в занятом состоянии, а если поток успешно завершил ожидание семафора, то семафор находится в занятом состоянии.

Потоки находятся в состоянии ожидания, пока ожидаемые ими объекты заняты. Как только объект освобождается, ОС будит поток и позволяет продолжить выполнение. Для приостановки потока и перевода его в состояние ожидания освобождения объекта используется функция

DWORD WaitForSingleObject(HANDLE hObject, DWORD dwMilliseconds);

где hObject - описатель ожидаемого объекта ядра, а второй параметр - максимальное время ожидания объекта.

Поток создает объект ядра при помощи семейства функций Create (CreateSemaphore, CreateThread и т.д.), после чего объект посредством описателя становится доступным всем потокам данного процесса. Копия описателя может быть получена при помощи функции DuplicateHandle и передана другому процессу, после чего потоки смогут воспользоваться этим объектом для синхронизации.

Другим, более распространенным способом получения описателя является открытие существующего объекта по имени, поскольку многие объекты имеют имена в пространстве имен объектов. Имя объекта - один из параметров Create -функций. Зная имя объекта, поток, обладающий нужными правами доступа, получает его описатель с помощью Open -функций. Напомним, что в структуре, описывающей объект, имеется счетчик ссылок на него, который увеличивается на 1 при открытии объекта и уменьшается на 1 при его закрытии.

Несколько подробнее рассмотрим те объекты ядра, которые предназначены непосредственно для решения проблем синхронизации.

Семафоры

Известно, что семафоры, предложенные Дейкстрой в 1965 г., представляет собой целую переменную в пространстве ядра, доступ к которой, после ее инициализации, может осуществляться через две атомарные операции: wait и signal (в ОС Windows это функции WaitForSingleObject и ReleaseSemaphore соответственно).

wait(S): если S <= 0 процесс блокируется

(переводится в состояние ожидания);

в противном случае S = S - 1;

signal(S): S = S + 1

Семафоры обычно используются для учета ресурсов (текущее число ресурсов задается переменной S) и создаются при помощи функции CreateSemaphore, в число параметров которой входят начальное и максимальное значение переменной. Текущее значение не может быть больше максимального и отрицательным. Значение S, равное нулю, означает, что семафор занят.

Ниже приведен пример синхронизации программы async с помощью семафоров.

#include <windows.h>

#include <stdio.h>

#include <math.h>

 

int Sum = 0, iNumber=5, jNumber=300000;

HANDLE hFirstSemaphore, hSecondSemaphore;

 

DWORD WINAPI SecondThread(LPVOID)

{

int i,j;

double a,b=1.;

for (i = 0; i < iNumber; i++)

{

WaitForSingleObject(hSecondSemaphore, INFINITE);

for (j = 0; j < jNumber; j++)

{

Sum = Sum + 1; a=sin(b);

}

 

ReleaseSemaphore(hFirstSemaphore, 1, NULL);

}

return 0;

}

 

void main()

{

int i,j;

HANDLE hThread;

DWORD IDThread;

double a,b=1.;

 

hFirstSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 0, 1, "MyFirstSemaphore");

hSecondSemaphore = CreateSemaphore(NULL, 1, 1, "MySecondSemaphore1");

hThread=CreateThread(NULL, 0, SecondThread, NULL, 0, &IDThread);

if (hThread == NULL) return;

 

for (i = 0; i < iNumber; i++)

{

WaitForSingleObject(hFirstSemaphore, INFINITE);

for (j = 0; j < jNumber; j++)

{

Sum = Sum - 1; a=sin(b);

}

printf(" %d ",Sum);

ReleaseSemaphore(hSecondSemaphore, 1, NULL);

}

 

WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); // ожидание окончания потока SecondThread

CloseHandle(hFirstSemaphore);

CloseHandle(hSecondSemaphore);

printf(" %d ",Sum);

return;

}

В данной программе синхронизация действий двух потоков, обеспечивающая одинаковый результат для всех запусков программы, выполнена с помощью двух семафоров, примерно так, как это делается в задаче producer-consumer, см., например [11]. Потоки поочередно открывают друг другу дорогу к критическому участку. Первым начинает работать поток SecondThread, поскольку значение счетчика удерживающего его семафора проинициализировано единицей при создании этого семафора. Синхронизацию с помощью семафоров потоков разных процессов рекомендуется выполнить в качестве самостоятельного упражнения.

Мьютексы

Мьютексы также представляют собой объекты ядра, используемые для синхронизации, но они проще семафоров, так как регулируют доступ к единственному ресурсу и, следовательно, не содержат счетчиков. По существу они ведут себя как критические секции, но могут синхронизировать доступ потоков разных процессов. Инициализация мьютекса осуществляется функцией CreateMutex, для входа в критическую секцию используется функция WaitForSingleObject, а для выхода - ReleaseMutex.

Если поток завершается, не освободив мьютекс, последний переходит в свободное состояние. Отличие от семафоров в том, что поток, занявший мьютекс, получает права на владение им. Только этот поток может освободить мьютекс. Поэтому мнение о мьютексе как о семафоре с максимальным значением 1 не вполне соответствует действительности.

События

Объекты "события" - наиболее примитивные объекты ядра. Они предназначены для информирования одного потока другим об окончании какой-либо операции. События создаются функцией CreateEvent. Простейший вариант синхронизации: переводить событие в занятое состояние функцией WaitForSingleObject и в свободное - функцией SetEvent.

В руководстве по программированию [4], [9], рассматриваются более сложные сценарии, связанные с типом события (сбрасываемые вручную и сбрасываемые автоматически) и с управлением синхронизацией групп потоков, а также ряд дополнительных полезных функций.

Разработку программ, в которых для решения задач синхронизации используются мьютексы и события, рекомендуется выполнить в качестве самостоятельного упражнения.