7.5. Условные переменные: ожидание и сигнализация

7.5. Условные переменные: ожидание и сигнализация

Взаимное исключение используется для блокирования, а условная переменная — для ожидания. Это два различных средства синхронизации, и оба они нужны. Условная переменная представляет собой переменную типа pthread_cond_t. Для работы с такими переменными предназначены две функции:

#include <pthread.h>

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cptr, pthread_m_tex_t *mptr);

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);

/* Обе функции возвращают 0 в случае успешного завершения, положительное значение Еххх – в случае ошибки */

Слово signal в имени второй функции не имеет никакого отношения к сигналам Unix SIGxxx.

Мы определяем условие, уведомления о выполнении которого будем ожидать.

Взаимное исключение всегда связывается с условной переменной. При вызове pthread_cond_wait для ожидания выполнения какого-либо условия мы указываем адрес условной переменной и адрес связанного с ней взаимного исключения.

Мы проиллюстрируем использование условных переменных, переписав пример из предыдущего раздела. В листинге 7.5 объявляются глобальные переменные.

Переменные производителя и взаимное исключение объединяются в структуру

7-13 Две переменные nput и rival ассоциируются с mutex, и мы объединяем их в структуру с именем put. Эта структура используется производителями.

14-20 Другая структура, nready, содержит счетчик, условную переменную и взаимное исключение. Мы инициализируем условную переменную с помощью PTHREAD_ COND_INITIALIZER.

Функция main по сравнению с листингом 7.3 не изменяется.

Листинг 7.5. Глобальные переменные: использование условной переменной

//mutex/prodcons6.c

1  #include "unpipc.h"

2  #define MAXNITEMS 1000000

3  #define MAXNTHREADS 100

4  /* глобальные переменные для всех потоков */

5  int nitems; /* только для чтения потребителем и производителем */

6  int buff[MAXNITEMS];

7  struct {

8   pthread_mutex_t mutex;

9   int nput; /* следующий сохраняемый элемент */

10  int nval; /* следующее сохраняемое значение */

11 } put = {

12  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

13 };

14 struct {

15  pthread_mutex_t mutex:

16  pthread_cond_t cond;

17  int nready; /* количество готовых для потребителя */

18 } nready = {

19  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER

20 };

Функции produce и consume претерпевают некоторые изменения. Их текст дан в листинге 7.6.

Листинг 7.6. Функции produce и consume

//mutex/prodcons6.c

46 void *

47 produce(void *arg)

48 {

49  for (;;) {

50   Pthread_mutex_lock(&put.mutex);

51   if (put.nput >= nitems) {

52    Pthread_mutex_unlock(&put.mutex);

53    return(NULL); /* массив заполнен, готово */

54   }

55   buff[put.nput] = put.nval;

56   put.nput++;

57   put.nval++;

58   Pthread_mutex_unlock(&put.mutex);

59   Pthread_mutex_lock(&nready.mutex):

60   if (nready.nready == 0)

61    Pthread_cond_signal(&nready.cond);

62   nready.nready++;

63   Pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);

64   *((int *) arg) += 1;

65  }

66 }

67 void*

68 consume(void *arg)

69 {

70  int i;

71  for (i = 0; i < nitems; i++) {

72   Pthread_mutex_lock(&nready.mutex);

73   while (nready.nready == 0)

74    Pthread_cond_wait(&nready.cond, &nready.mutex);

75   nready.nready--;

76   Pthread_mutex_unlock(&nready.mutex);

77   if (buff[i] != i)

78    printf("buff[%d] = *d ", i, buff[i]);

79  }

80  return(NULL);

81 }

Помещение очередного элемента в массив

50-58 Для блокирования критической области в потоке-производителе теперь используется исключение put.mutex. 

Уведомление потребителя

59-64 Мы увеличиваем счетчик nready.nready, в котором хранится количество элементов, готовых для обработки потребителем. Перед его увеличением мы проверяем, не было ли значение счетчика нулевым, и если да, то вызывается функция pthread_cond_signal, позволяющая возобновить выполнение всех потоков (в данном случае потребителя), ожидающих установки ненулевого значения этой переменной. Теперь мы видим, как взаимодействуют взаимное исключение и связанная с ним условная переменная. Счетчик используется совместно потребителем и производителями, поэтому доступ к нему осуществляется с блокировкой соответствующего взаимного исключения (nready.mutex). Условная переменная используется для ожидания и передачи сигнала.

Потребитель ждет, пока значение nready.nready не станет отличным от нуля

72-76 Потребитель просто ждет, пока значение счетчика nready. nready не станет отличным от нуля. Поскольку этот счетчик используется совместно с производителями, его значение можно проверять только при блокировке соответствующего взаимного исключения. Если при проверке значение оказывается нулевым, мы вызываем pthread_cond_wait для приостановки процесса. При этом выполняются два атомарных действия:

1. Разблокируется nready.mutex.

2. Выполнение потока приостанавливается, пока какой-нибудь другой поток не вызовет pthread_cond_signal для этой условной переменной.

Перед возвращением управления потоку функция pthread_cond_wait блокирует nready.mutex. Таким образом, если после возвращения из функции мы обнаруживаем, что счетчик имеет ненулевое значение, мы уменьшаем этот счетчик (зная, что взаимное исключение заблокировано) и разблокируем взаимное исключение. Обратите внимание, что после возвращения из pthread_cond_wait мы всегда заново проверяем условие, поскольку может произойти ложное пробуждение при отсутствии выполнения условия. Различные реализации стремятся уменьшить количество ложных пробуждений, но они все равно происходят.

Код, передающий сигнал условной переменной, выглядит следующим образом:

struct {

 pthread_mutex_t mutex;

 pthread_cond_t cond;

 переменные, для которых устанавливается условие

} var = { PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER, … };

Pthread_mutex_lock(&var.mutex);

установка истинного значения условия

Pthread_cond_signal(&var.cond);

Pthread_mutex_unlock(&var.mutex);

В нашем примере переменная, для которой устанавливалось условие, представляла собой целочисленный счетчик, а установка условия означала просто увеличение счетчика. Мы оптимизировали программу, посылая сигнал только при изменении значения счетчика с 0 на 1.

Код, проверяющий условие и приостанавливающий процесс, если оно не выполняется, обычно выглядит следующим образом:

Pthread_mutex_lock(&var.mutex);

while (условие ложно)

 Pthread_cond_wait(&var.cond, &var.mutex);

изменение условия

Pthread_mutex_unlock(&var.mutex);