Системное программирование в среде Windows
Шрифт:
Дополнительная литература
Вопросы синхронизации важны для любой ОС, и поэтому многие руководства по ОС содержат их подробное обсуждение в рамках более общего контекста.
Ранее уже упоминались другие книги, посвященные синхронизации в Windows. В то же время, при чтении книг по Windows более общего характера следует быть очень внимательными, поскольку в том, что касается потоков и синхронизации, некоторые из них могут попросту дезориентировать, и большинство из них не были обновлены с целью включения в рассмотрение средств NT5, которые мы используем в данной книге. Так, в одной очень популярной книге, получившей положительные отзывы рецензентов, несмотря на большой объем содержащихся
Для углубленного изучения тематики потоков и синхронизации можно порекомендовать книгу [6], которая будет полезна даже тем, кто программирует исключительно в среде Windows. Приведенные в этой книге обсуждения и описания в равной степени применимы, как правило, и к Windows, а перенос примеров программ послужит вам хорошим упражнением.
Упражнения
8.1. На Web-сайте книги находится версия программы simplePC.c (программа 8.1), содержащая дефекты, которая называется simplePCx.c. Проверьте работу этой программы и опишите симптомы дефектов, если они проявляются. Внесите в программу необходимые исправления, не сверяясь с правильным решением.
8.2. Измените программу simplePC.c таким образом, чтобы промежуток времени между генерацией новых сообщений увеличился. (Подсказка. Уберите операцию деления в том месте программы, где вызывается функция sleep.) Убедитесь в правильности логики, определяющей наличие новых сообщений. Кроме того, самостоятельно поэкспериментируйте с программой simplePCx.с, содержащей дефекты.
8.3. Переделайте программу simplePC. с, задействовав в ней мьютексы.
8.4. Переделайте программу sortMT.c (программа 7.2), использовав для синхронизации запуска рабочих потоков не приостановку потоков, а семафор.
8.5. Переделайте программу sortMT.c (программа 7.2), использовав для синхронизации запуска рабочих потоков не приостановку потоков, а события. В рекомендуемом решении используется функция SetEvent и сбрасываемое вручную событие. Другие комбинации не могли бы гарантировать корректную работу программы. Дайте этому свои объяснения.
8.6. Поэкспериментируйте с программой 8.2, используя различные комбинации автоматически и вручную сбрасываемых событий, а также функций SetEvent и PulseEvent (в текущем решении используются функция SetEvent и автоматически сбрасываемое событие). Могут ли считаться корректными альтернативные и исходный варианты реализации с учетом объявленного функционального назначения программы? (См. примечание после программы 8.2.) Объясните результаты и поясните, в чем с функциональной точки зрения состоит полезность альтернативных вариантов реализации. Можете ли вы добиться того, чтобы заработали альтернативные варианты реализации, изменив логику программы?
8.7. Создайте пул рабочих потоков, но организуйте такое управление частотой выполнения рабочих потоков, чтобы на протяжении любого односекундного интервала времени выполняться мог только один поток. Измените программу таким образом, чтобы на протяжении одного интервала могли выполняться два потока, но суммарная частота выполнения потоков соответствовала одному потоку в секунду. Подсказка. Рабочие потоки должны ожидать наступления события (события какого типа?) и управляющий поток должен переводить событие в сигнальное состояние (с помощью функции SetEvent или PulseEvent?) каждую секунду.
8.8. Упражнение повышенной сложности. Объекты CRITICAL_SECTION предназначены для использования потоками в рамках одного и того же процесса. Что произойдет, если объект CS будет создан в разделяемой отображаемой области памяти? Смогут ли использовать CS оба процесса? Вы можете провести самостоятельный эксперимент, изменив программу таким образом, чтобы
производитель и потребитель выполнялись в различных процессах.ГЛАВА 9
Влияние синхронизации на производительность и рекомендации по ее повышению
В предыдущей главе были введены операции синхронизации, использование которых иллюстрировалось с привлечением нескольких относительно простых примеров. В следующей главе предлагаются более сложные, но вместе с тем более реалистичные и полезные примеры, а также описывается общая модель синхронизации, позволяющая решить многие практические задачи и повысить надежность программ. В данной же небольшой главе анализируется влияние синхронизация на производительность приложений и рассматриваются методы, минимизирующие отрицательные последствия этого влияния.
Несмотря на всю важность синхронизации потоков, применение этого средства сопряжено со значительными рисками снижения производительности, которые ниже частично обсуждаются на примере как однопроцессорных, так и многопроцессорных (SMP) систем. У возможных альтернативных решений имеются собственные достоинства и недостатки. Например, объекты CRITICAL_SECTION (CS) и мьютексы обладают почти одинаковыми свойствами и решают одну и ту же фундаментальную задачу. Вообще говоря, наиболее эффективным механизмом блокирования являются объекты CS, хотя это справедливо не во всех ситуациях. Кроме того, как показано в главе 10, объекты CS менее удобны в работе по сравнению с мьютексами. В некоторых случаях достаточно использовать функции взаимоблокировки потоков, а при тщательном проектировании и реализации приложения иногда можно вообще обойтись без использования объектов синхронизации.
Сначала мы обсудим сравнительные достоинства и недостатки объектов CS и мьютексов, дополнив этот анализ учетом факторов, проявляющихся в SMP-системах. К числу других рассмотренных ниже тем относятся спин-счетчики объектов CS, дросселирование семафоров и родство процессоров. Глава заканчивается сводкой рекомендаций, касающихся оптимизации производительности.
Примечание
В NT 5.0 достигнут значительный прогресс в плане повышения производительности. В ранних версиях NT и в Windows 9x некоторые из отмеченных выше проблем носили гораздо более острый характер.
Влияние синхронизации на производительность
Использование синхронизации в программах может и будет ухудшать их производительность, и в этом отношении следует быть особенно осмотрительным в случае SMP-систем. На первый взгляд, это противоречит здравому смыслу, поскольку от SMP-систем в целом можно было, бы ожидать только повышения производительности, а уж о том, что при переходе к ним быстродействие программ может снижаться, казалось бы, и речи идти не может. Тем не менее, в силу особенностей внутренних механизмов реализации, а также конкуренции между процессорами за право доступа к памяти могут наблюдаться неожиданные эффекты, в том числе и резкое ухудшение производительности программы.
Достоинства и недостатки объектов CRITICAL_SECTION
Прежде всего, мы попытаемся количественно оценить влияние объектов синхронизации на производительность, и сравним между собой объекты CRITICAL_SECTION и мьютексы. В программе statsMX.c (программа 9.1) для синхронизации доступа к специфической для каждого потока структуре данных используется мьютекс. Программа statsCS.c, листинг которой здесь не приводится, но его можно найти на Web-сайте книги, делает точно то же, но с использованием объекта CRITICAL_SECTION, тогда как в программе stats IN. с для этого привлекаются функции взаимоблокировки (interlocked functions). Наконец, в программе statsNS.с, которая также здесь не приводится, синхронизация вообще не используется; оказывается, в данном примере можно вообще обойтись без синхронизации, поскольку каждый рабочий поток обращается к собственной уникальной области памяти. Некоторые предостережения по этому поводу приведены в конце данного раздела. В реальных программах количество рабочих потоков может быть неограниченным, однако для простоты в программе 9.1 обеспечивается поддержка 64 потоков.