Читать онлайн «Системное программирование в среде Windows». Страница 75

• Для ограничения количества готовых к выполнению рабочих потоков без изменения базовой программной модели можно использовать семафоры. Эта методика рассматривается далее в этой главе.

Предупреждение

В массиве task_count намеренно использованы 32-битовые целые числа, чтобы увеличить верхний предел значений счетчика заданий и избежать создания предпосылок для возникновения "разрыва слов" ("word tearing") и "конфликтов строки кэша" ("cache line conflict") в SMP-системах. Два независимых процессора, на которых выполняются смежные рабочие потоки, могут одновременно изменять значения счетчиков смежных заданий путем внесения соответствующих изменений в свои кэши (32-битовые в системах на основе Intel x86). Вместе с тем, реально записываться в память будет только один кэш, что может сделать результаты недействительными. Чтобы избежать возможных рисков, следует позаботиться об отделении рабочих ячеек каждым из потоков друг от друга и их выравнивании в соответствии с размерами кэшей. В данном примере счетчик заданий может быть сгруппирован с аргументом потока, так что использованию 32-битовых счетчиков ничто не препятствует. Эта тема исследуется в упражнении 9.6. 

На Web-сайте книги находится проект TimedMutualExclusion, который вы можете использовать для проведения собственных экспериментов с различными моделями "хозяин/рабочий" и характеристиками прикладных приложений. Ниже приводится перечень возможностей этой программы, которыми можно управлять из командной строки.

• Использование объектов CS или мьютексов.

• Глубина, или рекурсивность, счетчиков.

• Время удержания блокировки, или задержка (delay), которое моделирует объем работы, выполненной в пределах критического участка кода.

• Количество рабочих потоков, ограниченное системными ресурсами.

• Количество точек "засыпания" (sleep points), в которых рабочий поток уступает процессор, используя вызов Sleep(0), но продолжает владеть блокировкой. Точки "засыпания" моделируют ожидание рабочим потоком операций ввода/вывода или событий, тогда как задержка моделирует активность ЦП.

• Количество активных потоков, о чем говорится в разделе, посвященном дросселированию семафоров.

Регулируя параметры задержек и точек "засыпания", можно оказывать заметное воздействие на производительность, поскольку от этих параметров зависит доля времени, в течение которого поток владеет блокировкой, не давая выполняться другим потокам.

В листинг программы включены детальные комментарии, объясняющие порядок запуска программы и настройки параметров. В упражнении 9.1 вам предлагается провести самостоятельные эксперименты с использованием как можно большего количества различных систем, к которым у вас имеется доступ. Видоизмененный вариант этой программы под названием MutualExclusionSC поддерживает спин-счетчики, о которых говорится в следующем разделе.

Примечание

Программа TimedMutualExclusion представляет простую модель, способную отражать многие из особенностей рабочих потоков. Во многих случаях ее можно настроить так, чтобы она представляла реальное приложение, и если эта модель позволяет выявить определенные проблемы, связанные с ухудшением производительности, то не исключено, что с аналогичными трудностями вы столкнетесь и в случае реального приложения. С другой стороны, хорошие эксплуатационные показатели модели вовсе не обязательно означают, что такими же качествами будет обладать и реальное приложение, хотя хорошая исходная модель и способна упростить настройку его производительности.

Эффективность методики блокирования (вхождение в раздел) и разблокирования (выход из раздела) объекта CRITICAL_SECTION объясняется тем, что тестирование объекта CS выполняется в пользовательском пространстве без использования системных вызовов ядра, как это требуется в случае мьютексов. Снятие блокировки раздела также выполняется полностью в пространстве пользователя, в отличие от функции ReleaseMutex, которая требует использования системного вызова. Объекты CS работают следующим образом:

• Поток, выполняющий функцию EnterCriticalSection (ECS), непрерывно тестирует бит блокировки объекта CS. Если обнаруживается, что бит выключен (объект разблокирован), ECS автоматически устанавливает его, выполняя эту операцию как часть инструкций тестирования, и продолжает дальнейшее выполнение уже без какого-либо ожидания. Поэтому блокирование разблокированного объекта CS осуществляется чрезвычайно эффективным образом и требует, как правило, всего лишь одной или двух машинных команд. Идентификационные данные владеющего потока, а также рекурсивный счетчик поддерживаются структурой данных объекта CS.

• Если обнаруживается, что объект CS блокирован, ECS входит в жесткий цикл (tight loop) на SMP-системах и выполняет многократное тестирование бита блокировки, не уступая процессора (разумеется, поток может быть вытеснен). Количество повторений цикла, после выполнения которых ECS прекращает дальнейшее тестирование, определяется значением спин-счетчика CS. В однопроцессорных системах тестирование прекращается немедленно; спин-счетчики используются лишь в случае SMP-систем.

• Как только ECS прекращает тестирование бита блокировки (в случае однопроцессорных систем это происходит немедленно), она входит в ядро, и поток переводится в состояние ожидания. Следовательно, блокирование объектов CS оказывается эффективным лишь в условиях низкой состязательности между потоками или когда спин-счетчик предоставляет другому процессору время для разблокирования CS.

• Функция LeaveCriticalSectibn реализуется путем выключения бита блокировки после проверки того, что вызывающий поток действительно является владельцем CS. Кроме того, ядро должно быть также уведомлено о том, существуют ли еще другие ожидающие потоки, для чего используется функции ReleaseSemaphore.

Таким образом, в случае однопроцессорных систем объекты CS эффективны тогда, когда высока вероятность их разблокирования, что иллюстрирует вариант CS программы 9.1. Преимущества SMP-систем обусловлены тем фактом, что пока ожидающий поток выполняет цикл ожидания, управляемый спин-счетчиком, объект CS может оказаться разблокированным потоком, выполняющимся на другом процессоре.

Далее будет показано, как устанавливать значения спин-счетчиков и настраивать приложения путем выбора наиболее оптимальных значений. Еще раз подчеркнем, что спин-счетчики оказываются полезными лишь в случае SMP-систем; на однопроцессорных системах они не используются.

Спин-счетчики CS могут устанавливаться на стадии инициализации объектов CS или динамическим путем. В первом случае функция InitializeCriticalSection заменяется функцией InitializeCriticalSectionAndSpinCount, в которой добавлен параметр счетчика. В то же время, способа, позволяющего считать значение спин-счетчика, не существует.

VOID InitializeCriticalSectionAndSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwCount) 

Значение спин-счетчика можно в любой момент изменить. 

VOID SetCriticalSectionSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwCount) 

В документации Microsoft говорится о том, что рекомендуемым для управления кучей значением спин-счетчика является 4000. Однако оптимальное значение зависит от свойств приложения, и поэтому спин-счетчики должны настраиваться индивидуально для каждого приложения, выполняющегося в реалистическом SMP-окружении. Наилучшее значение будет различным в зависимости от количества процессоров, характера приложения и тому подобного.

На Web-сайте книги находится программа TimedMutualExclusionSC. Эта программа представляет собой видоизмененный вариант уже знакомой вам программы TimedMutualExclusion, в котором значение спин-счетчика указания в качестве параметра командной строки. Вы можете запустить эту программу на своей машине для приблизительной оценки того, какое значение спин-счетчика будет наиболее приемлемым для выполнения того или иного из вариантов тестовых программ на доступных вам SMP-системах, что и предлагается сделать в упражнении 9.2. 

Слишком большое количество потоков, соревнующихся между собой за право владения единственным ресурсом, например, мьютексом или объектом CS, могут стать причиной снижения производительности как в однопроцессорных, так и в многопроцессорных системах. В большинстве случаев негативное влияние некоторых факторов на производительность может быть сведено к минимуму за счет использования спин-счетчиков, тщательного выбора типа объектов синхронизации или перестройки структуры программы с целью увеличения степени детализации блокировок и длительности периодов блокирования.