Системное программирование в среде Windows
Шрифт:
Первое, что нам предстоит сделать — это объединить два или более объекта синхронизации вместе с данными для создания сложного объекта синхронизации. Наиболее полезной комбинацией такого рода является модель переменных условий (condition variable model), включающая мьютекс и одно или несколько событий. Указанная модель играет весьма существенную роль в самых различных практических ситуациях, поскольку многие серьезные программные дефекты, обусловленные влиянием состязательности, проявляются именно тогда, когда объекты синхронизации Windows, особенно события, используются программистами неправильно. События имеют сложную природу и ведут себя по-разному в зависимости от того, какой именно из описанных в табл. 8.1 вариантов используется, и поэтому следует придерживаться определенных
В последующих разделах показано, как систематизировать управление запуском и отменой выполнения каждого из совместно работающих потоков при помощи асинхронного вызова процедур (Asynchronous Procedure Calls, APC).
Другие проблемы производительности обсуждаются по мере необходимости.
Модель переменных условий и свойства безопасности
Многопоточные программы намного легче разрабатывать, делать их более понятными и сопровождать, если использовать известные, хорошо разработанные методики и модели. Эти вопросы уже обсуждались в главе 7, в которой для создания полезной концептуальной основы, позволяющей понять принципы работы многопоточных программ, были введены модель "хозяин/рабочий" ("boss/worker") и модель рабочей группы (work crew model). Понятие критических участков кода (critical sections) играет существенную роль при использовании мьютексов, а определение инвариантов (invariants) используемых структур данных также может принести немалую пользу. Наконец, даже для дефектов существуют свои модели, как это было показано на примере взаимной блокировки (deadlock) потоков.
Примечание
Компания Microsoft разработала собственный набор моделей, таких как апартаментная модель (apartment model) или модель свободных потоков (free threading). Эта терминология чаще всего встречается в технологии СОМ и кратко обсуждается в конце главы 11.
Совместное использование событий и мьютексов
Далее показано, как обеспечить совместное использование мьютексов и событий путем обобщения программы 8.2, представляющей описанную ниже ситуацию, с которой нам еще не раз предстоит столкнуться. Примечание. Это обсуждение в равной степени применимо как к мьютексам, так и к объектам CRITICAL_SECTION.
• Как мьютекс, так и событие связываются с блоком сообщений или иной структурой данных.
• Мьютекс определяет критический участок кода для доступа к объекту структуры данных.
• Событие используется для того, чтобы сигнализировать о появлении нового сообщения.
• Обобщая, можно утверждать, что мьютекс обеспечивает соблюдение условий, определяемых инвариантами объекта (то есть поддерживает свойства безопасности), а событие сигнализирует о том, что состояние объекта изменилось (например, сообщение было добавлено в буфер сообщений или удалено из него), и он мог перейти в известное состояние (например, в буфере сообщений присутствует, по крайней мере, одно сообщение).
• Один поток (в программе 8.2 — поток производителя) блокирует структуру данных, изменяет состояние объекта путем создания нового сообщения и применяет функции SetEvent или PulseEvent к событию, связанному с появлением нового сообщения.
• По крайней мере, один поток из числа остальных (в данном примере — поток потребителя) ожидает наступления события, сигнализирующего о том, что объект достиг требуемого состояния. Ожидание должно выполняться за пределами критического участка кода, чтобы поток производителя мог иметь доступ к объекту.
• Кроме того, поток потребителя может блокировать мьютекс, проверить состояние объекта (например, поступило ли в буфер новое сообщение) и отказаться от ожидания события, если объект уже находится в требуемом состоянии.
Модель переменных условий
А теперь давайте объединим все это в едином фрагменте кода, представляющем то, что мы будем называть моделью переменных условий (condition variable model, CV model),
которая может существовать в виде сигнальной (signal) и широковещательной (broadcast) моделей. В первых примерах будет использована широковещательная модель. Результат представляет собой программную модель, с которой мы будем работать еще не один раз, и которая может быть использована для решения широкого круга задач синхронизации. Для удобства изложения примеры сформулированы в терминах задачи производителя и потребителя.Обсуждение может показаться вам несколько абстрактным, однако, поняв суть методики, вы сможете решать многие задачи синхронизации, справиться с которыми без наличия хорошей модели было бы очень трудно.
В упомянутом фрагменте кода имеется несколько ключевых элементов.
• Структура данных типа STATE_TYPE, в которой содержатся все данные, или переменные состояний (state variables), такие как сообщения, контрольные суммы и счетчики, используемые в программе 8.2.
• Мьютекс и одно или более событий, связанных с этой структурой данных и обычно входящих в ее состав.
• Одна или несколько булевых функций, предназначенных для вычисления предикатов переменных условий (condition variable predicates), представляющих собой условия (состояния), наступления которых может ожидать поток. Например, в качестве предикатов могут использоваться следующие условия: "готово новое сообщение", "имеется свободное место в буфере", "очередь не пуста". Можно связывать с каждым предикатом переменной условия отдельное событие, но возможно также использование одного события для представления изменения состояния или же для представления комбинации нескольких предикатов (получаемой посредством применения операции логического "или"). В последнем случае для определения фактического состояния должны проверяться возвращаемые значения отдельных предикативных функций при блокированном мьютексе. Если предикат (логическое выражение) является простым, необходимость в использовании отдельной функции отпадает.
Эти принципы используются потоками производителя и потребителя в приведенном ниже фрагменте кода, включающем единственное событие и предикат переменной условия (реализованный с помощью функции cvp, которая здесь не представлена). В данном примере принимается, что если поток производителя сигнализирует о достижении требуемого состояния, то должны быть освобождены сразу несколько потоков, откуда следует, что сигнал должен рассылаться всем ожидающим потокам потребителя. Так, сигналом, соответствующим созданию потоком производителя нескольких сообщений, может служить увеличение значения счетчика сообщений. Во многих случаях вам может требоваться освобождение только одного потока, что обсуждается после приведенного ниже фрагмента кода.
Этот код ориентирован на работу под управлением Windows 9x и всех версий Windows NT. Для упрощения решения впоследствии в нем будет использована функция SignalObjectAndWait.
Примечание и предостережение
В данном примере намеренно и вполне осознанно используется функция PulseEvent, хотя некоторые авторы, а кое-где и документация Microsoft (см. замечания в соответствующем разделе MSDN), этого делать не рекомендуют. Причины нашего выбора будут ясны из последующего обсуждения и подкреплены примерами, а читателю предлагается решить (корректно) эту задачу, используя функцию SetEvent.