Читать онлайн «Системное программирование в среде Windows». Страница 65

Эти функции имеют ограниченную область применимости, но будут использоваться нами при любой удобной возможности.

Задача инкрементирования N, представленная на рис. 8.1, может быть реализована посредством единственной строки кода:

InterlockedIncrement(&N);

N — это целое число типа long со знаком, и функция возвращает его новое значение, несмотря на то что другой поток мог изменить значение N еще до того, как поток, вызвавший функцию InterlockedIncrement, успеет воспользоваться возвращенным значением.

Следует, однако, проявлять осторожность и, например, не вызывать эту функцию два раза подряд, если, значение переменной должно быть увеличено на 2, поскольку поток может быть вытеснен в промежутке между двумя вызовами функции. Вместо этого лучше воспользоваться функцией InterlockedExchangeAdd, описание которой приводится далее в настоящей главе.

Суть другого требования, предъявляемого к корректному многопоточному коду, состоит в том, что глобальная память не должна использоваться для локальных целей. Так, применение функции ThFunc, приводившейся ранее в качестве примера, будет необходимым и уместным в тех случаях, когда поток должен располагать собственным экземпляром N. N может быть использовано для хранения временных результатов или размещения аргумента функции. Если же N размещается в глобальной памяти, то все процессы будут разделять единственный экземпляр N, что может стать причиной некорректного поведения программы, как бы тщательно вы ни планировали синхронизацию доступа к этой переменной. Ниже приводится пример подобного некорректного использования N. N должно быть локальной переменной, размещаемой в стеке функции потока.

DWORD N;

DWORD WINAPI ThFunc (TH_ARGS pArgs) {

 …

 N = 2 * pArgs->Count; …

}

Прежде чем мы приступим к рассмотрению объектов синхронизации, ознакомьтесь с пятью начальными рекомендациями, соблюдение которых будет гарантировать корректное выполнение программ в многопоточной среде.

1. Переменные, являющиеся локальными по отношению к потоку, не должны быть статическими, и их следует размещать в стеке потока или же в структуре данных или TLS, непосредственный доступ к которым имеет только отдельный поток.

2. В тех случаях, когда функцию могут вызывать несколько потоков, а какой-либо специфический для состояния потока параметр, например счетчик, должен сохранять свое значение в течение промежутков времени, отделяющих один вызов функции от другого, значение параметра состояния должно храниться в TLS или в структуре данных, выделенной специально для этого потока, например, в структуре данных, передаваемой потоку при его создании. Использовать стек для сохранения постоянно хранимых (persistent) значений не следует. Применение необходимой методики при построении безопасных многопоточных DLL иллюстрируют программы 12.4 и 12.5.

3. Старайтесь не создавать предпосылок для формирования условий состязаний наподобие тех, которые возникли бы в программе 7.2 (sortMT), если бы потоки не создавались в приостановленном состоянии. Если предполагается, что в определенной точке программы должно выполняться некоторое условие, используйте ожидание объекта синхронизации для гарантии того, что, например, дескриптор всегда будет ссылаться на существующий поток.

4. Вообще говоря, потоки не должны изменять окружение процесса, поскольку это окажет воздействие на все потоки. Таким образом, поток не должен определять дескрипторы стандартного ввода и вывода или изменять переменные окружения. Это не касается только основного потока, который может вносить такие изменения до создания других потоков.

5. Переменные, разделяемые всеми потоками, должны быть статическими или храниться в глобальной памяти, объявленной с использованием спецификатора volatile, а также должны быть защищены с использованием описанных ниже механизмов синхронизации.

Объекты синхронизации обсуждаются в следующем разделе. Приведенных в нем объяснений вам будет достаточно для того, чтобы разработать простой пример системы "производитель/потребитель" (producer/consumer).

До сих пор нами были обсуждены только два механизма, обеспечивающие синхронизацию процессов и потоков друг с другом:

1. Поток, выполняющийся в контексте одного процесса, может дожидаться завершения другого процесса с использованием функции ExitProcess путем применения к дескриптору процесса функций ожидания WaitForSingleObject или WaitForMultipleObject. Тем же способом поток может организовать ожидание завершения (с помощью функции ExitThread или выполнения оператора return) другого потока.

2. Блокировки файлов, предназначенные для частного случая синхронизации доступа к файлам.

Windows предоставляет четыре других объекта, предназначенных для синхронизации потоков и процессов. Три из них — мьютексы, семафоры и события — являются объектами ядра, имеющими дескрипторы. События используются также для других целей, например, для асинхронного ввода/вывода (глава 14).

Мы начнем обсуждение с четвертого объекта, а именно, объекта критического участка кода CRITICAL_SECTION. В силу своей простоты и предоставляемых ими преимуществ в отношении производительности объекты критических участков кода являются предпочтительным механизмом, если их возможностей достаточно для того, чтобы удовлетворить требования программиста.

В то же время, при этом возникают некоторые проблемы, связанные с производительностью, о чем говорится в главе 9.

Предостережение

Неправильное применение объектов критических участков кода порождает определенные риски. Эти риски, такие, например, как риск блокировки, описываются в этой и последующих главах наряду с изложением методик, предназначенных для разработки надежного кода. Однако прежде всего мы приведем некоторые примеры синхронизации в реалистических ситуациях.

Рассмотрение двух других объектов синхронизации — таймеров ожидания и портов завершения ввода/вывода — отложено до главы 14. Эти типы объектов требуют использования методик асинхронного ввода/вывода Windows, которые описываются в указанной главе.

Как уже упоминалось ранее, объект критического участка кода — это участок программного кода, который каждый раз должен выполняться только одним потоком; параллельное выполнение этого участка несколькими потоками может приводить к непредсказуемым или неверным результатам.

В качестве простого механизма реализации и применения на практике концепции критических участков кода Windows предоставляет объект CRITICAL_SECTION.

Объекты CRITICAL_SECTION (CS) можно инициализировать и удалять, но они не имеют дескрипторов и не могут совместно использоваться другими процессами. Соответствующие переменные должны объявляться как переменные типа CRITICAL_SECTION. Потоки входят в объекты CS и покидают их, но выполнение кода отдельного объекта CS каждый раз разрешено только одному потоку. Вместе с тем, один и тот же поток может входить в несколько отдельных объектов CS и покидать их, если они расположены в разных местах программы.

Для инициализации и удаления переменной типа CRITICAL_SECTION используются, соответственно, функции InitializeCriticalSection и DeleteCriticalSection: 

VOID InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection) 

VOID DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection) 

Функция EnterCriticalSection блокирует поток, если на данном критическом участке кода присутствует другой поток. Ожидающий поток разблокируется после того, как другой поток выполнит функцию LeaveCriticalSection. Говорят, что поток получил права владения объектом CS, если произошел возврат из функции EnterCriticalSection, тогда как для уступки прав владения используется функция LeaveCriticalSection. Всегда следите за своевременной переуступкой прав владения объектами CS; несоблюдение этого правила может привести к тому, что другие потоки будут пребывать в состоянии ожидания в течение неопределенного времени даже после завершения выполнения потока-владельца.

Мы часто будем говорить о блокировании и разблокировании объектов CS, а вхождение в CS будет означать то же, что и блокирование CS. 

VOID EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection)

VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection)

Поток, владеющий объектом CS, может повторно войти в этот же CS без его блокирования; это означает, что объекты CRITICAL_SECTION являются рекурсивными (recursive). Поддерживается счетчик вхождений в объект CS, и поэтому поток должен покинуть данный CS столько раз, сколько было вхождений в него, чтобы разблокировать этот объект для других потоков. Эта возможность может оказаться полезной для реализации рекурсивных функций и обеспечения безопасного многопоточного выполнения функций общих (разделяемых) библиотек.