Программирование для Linux. Профессиональный подход

 process_job(next_job);
 /* Очистка. */
 free(next_job);
 }
 return NULL;
}

Теперь предположим, что два потока завершают свои операции примерно в одно и то же время, а в очереди остается только одно задание. Первый поток проверяет, равен ли указатель job_queue значению NULL, и, обнаружив, что очередь не пуста, входит в цикл, где сохраняет указатель на объект задания в переменной next_job. В этот момент Linux прерывает первый поток и активизирует второй. Он тоже проверяет указатель job_queue, устанавливает, что он не равен NULL, и записывает тот же самый указатель в свою переменную next_job. Увы, теперь мы имеем два потока, выполняющих одно и то же задание.

Далее ситуация только ухудшается. Первый поток удаляет последнее задание из очереди. делая переменную job_queue равной NULL. Когда второй поток попытается выполнить операцию job_queue->next, возникнет фатальная ошибка сегментации.

Это наглядный пример гонки за ресурсами. Если программе "повезет", система не распланирует потоки именно таким образом и ошибка не проявится. Возможно, только в сильно загруженной системе (или в новой многопроцессорной системе важного клиента!) произойдет "необъяснимый" сбой.

Чтобы исключить возможность гонки, необходимо сделать операции атомарными. Атомарная операция неделима и непрерывна; если она началась, то уже не может быть приостановлена или прервана, пока, наконец, не завершится. Выполнение других операций в это время становится невозможным. В нашем конкретном примере проверка переменной job_queue и удаление задания должны выполняться как одна атомарная операция.

4.4.2. Исключающие семафоры

Решение проблемы гонки заключается в том, чтобы позволить только одному потоку обращаться к очереди в конкретный момент времени. Когда поток начинает просматривать очередь, все остальные потоки вынуждены дожидаться, пока он удалит очередное задание из списка.

Реализация такого решения требует поддержки от операционной системы. В Linux имеется специальное средство, называемое исключающим семафором, или мьютексом (MUTual EXclusion — взаимное исключение). Это специальная блокировка, которую в конкретный момент времени может устанавливать только одни поток. Если исключающий семафор захвачен каким-то потоком, другой поток, обращающийся к семафору, оказывается заблокированным или переведенным в режим ожидания. Как только семафор освобождается, поток продолжает свое выполнение. ОС Linux гарантирует, что между потоками, пытающимися захватить исключающий семафор, не возникнет гонка. Такой семафор может принадлежать только одному потоку, а все остальные потоки блокируются.

Чтобы создать исключающий семафор, нужно объявить переменную типа pthread_mutex_t и передать указатель на нее функции pthread_mutex_init. Вторым аргументом этой функции является указатель на объект атрибутов семафора. Как и в случае функции pthread_create, если объект атрибутов пуст, используются атрибуты по умолчанию. Переменная исключающего семафора инициализируется только один раз. Вот как это делается:

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

Более простой способ создания исключающего семафора со стандартными атрибутами — присвоение переменной специального значения PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER. Вызывать функцию pthread_mutex_init в таком случае не требуется. Это особенно удобно для глобальных переменных (а в C++ — статических переменных класса). Предыдущий фрагмент программы эквивалентен следующей записи:

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

Поток может попытаться захватить исключающий семафор, вызвав функцию pthread_mutex_lock. Если семафор свободен, он переходит во владение данного потока и функция немедленно завершается. Если же семафор уже был захвачен другим потоком. выполнение функции pthread_mutex_lock блокируется и возобновляется только тогда, когда семафор вновь становится свободным. Сразу несколько потоков могут ожидать освобождения исключающего семафора. Когда это событие наступает, только один поток (выбираемый произвольным образом) разблокируется и получает возможность захватить семафор; остальные потоки остаются заблокированными.

Функция pthread_mutex_unlock освобождает исключающий семафор. Она должна вызываться только из того потока, который захватил семафор.

В листинге 4.11 представлена другая версия программы, работающей с очередью заданий. Теперь очередь "защищена" исключающим семафором. Прежде чем получить доступ к очереди (для чтения или записи), каждый поток сначала захватывает семафор. Только когда вся последовательность операций проверки очереди и удаления задания из нее будет закончена, произойдет освобождение семафора. Благодаря этому не возникает описанное выше состояние гонки.

Листинг 4.11. (job-queue2.c) Работа с очередью заданий, защищенной исключающим семафором

#include <malloc.h>
#include <pthread.h>

struct job {
 /* Ссылка на следующий элемент связанного списка. */
 struct job* next;

 /* Другие поля, описывающие требуемую операцию... */
};

/* Список отложенных заданий. */
struct job* job_queue;

/* Исключающий семафор, защищающий очередь. */
pthread_mutex_t job_queue_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

/* Обработка заданий до тех пор, пока очередь не опустеет. */
void* thread_function(void* arg) {
 while (1) {
 struct job* next_job;
 /* Захват семафора, защищающего очередь. */
 pthread_mutex_lock(&job_queue_mutex);
 /* Теперь можно проверить, является ли очередь пустой. */
 if (job_queue == NULL)
 next_job = NULL;
 else {
 /* Запрашиваем следующее задание. */
 next_job = job_queue;
 /* Удаляем задание из списка. */
 job_queue = job_queue->next;
 }

 /* Освобождаем семафор, так как работа с очередью окончена. */
 pthread_mutex_unlock(&job_queue_mutex);
 /* Если очередь пуста, завершаем поток. */
 if (next_job == NULL)
 break;
 /* Выполняем задание. */
 process_job(next_job);
 /* Очистка. */
 free(next_job);
 }
 return NULL;
}

Все операции доступа к совместно используемому указателю job_queue происходят между вызовами функций pthread_mutex_lock и pthread_mutex_unlock. Объект задания, ссылка на который хранится в переменной next_job, обрабатывается только после того, как ссылка на него удаляется из очереди, что позволяет обезопасить этот объект от других потоков.