26.8. Условные переменные

26.8. Условные переменные

Взаимное исключение позволяет предотвратить одновременный доступ к совместно используемой (разделяемой) переменной, но для того чтобы перевести поток в состояние ожидания (спящее состояние) до момента выполнения некоторого условия, необходим другой механизм. Продемонстрируем сказанное на следующем примере. Вернемся к нашему веб-клиенту из раздела 26.6 и заменим функцию Solaris thr_join на pthread_join. Но мы не можем вызвать функцию pthread_join до тех пор, пока не будем знать, что выполнение потока завершилось. Сначала мы объявляем глобальную переменную, которая служит счетчиком количества завершившихся потоков, и организуем управление доступом к ней с помощью взаимного исключения.

int ndone; /* количество потоков, завершивших выполнение */

pthread_mutex_t ndone_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

Затем мы требуем, чтобы каждый поток по завершении своего выполнения увеличивал этот счетчик на единицу, используя соответствующее взаимное исключение.

void* do_get_read(void *vptr) {

 ...

 Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

 ndone++;

 Pthread_mutex_unlock(&ndone_mutex);

 return(fptr); /* завершение выполнения потока */

}

Но каким при этом получается основной цикл? Взаимное исключение должно быть постоянно блокировано основным циклом, который проверяет, какие потоки завершили свое выполнение.

while (nlefttoread > 0) {

 while (nconn < maxnconn && nlefttoconn > 0) {

  /* находим файл для чтения */

  ...

 }

 /* Проверяем, не завершен ли поток */

 Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

 if (ndone > 0) {

  for (i =0; i < nfiles; i++) {

   if (file[i].f_flags & F_DONE) {

    Pthread_join(file[i].f_tid, (void**)&fptr);

    /* обновляем file[i] для завершенного потока */

    ...

   }

  }

 }

 Pthread_mutex_unlock(&ndone_mutex);

}

Это означает, что главный поток никогда не переходит в спящее состояние, а просто входит в цикл, проверяя каждый раз значение переменной ndone. Этот процесс называется опросом (polling) и рассматривается как пустая трата времени центрального процессора.

Нам нужен метод, с помощью которого главный цикл мог бы входить в состояние ожидания, пока один из потоков не оповестит его о том, что какая-либо задача выполнена. Эта возможность обеспечивается использованием условной переменной (conditional variable) вместе со взаимным исключением. Взаимное исключение используется для реализации блокирования, а условная переменная обеспечивает сигнальный механизм.

В терминах Pthreads условная переменная — это переменная типа pthread_cond_t. Такие переменные используются в следующих двух функциях:

#include <pthread.h>

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

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cptr);

Обе функции возвращают: 0 в случае успешного выполнения, положительное значение Exxx в случае ошибки

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

Проще всего объяснить действие этих функций на примере. Вернемся к нашему примеру веб-клиента. Счетчик ndone теперь ассоциируется и с условной переменной, и с взаимным исключением:

int ndone;

pthread_mutex_t ndone_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_cond_t ndone_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

Поток оповещает главный цикл о своем завершении, увеличивая значение счетчика, пока взаимное исключение принадлежит данному потоку (блокировано им), и используя условную переменную для сигнализации.

Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

ndone++;

Pthread_cond_signal(&ndone_cond);

Pthread_mutex_unlock(&ndone_mutex);

Затем основной цикл блокируется в вызове функции pthread_cond_wait, ожидая оповещения о завершении выполнения потока:

while (nlefttoread > 0) {

 while (nconn < maxnconn && nlefttoconn > 0) {

  /* находим файл для чтения */

  ...

 }

 /* Ждем завершения выполнения какого-либо потока */

 Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

 while (ndone == 0)

  Pthread_cond_wait(&ndone_cond, &ndone_mutex);

 for (i = 0; i < nfiles; i++) {

  if (file[i].f_flags & F_DONE) {

   Pthread_join(file[i].f_tid, (void**)&fptr);

   /* обновляем file[i] для завершенного потока */

   ...

  }

 }

 Pthread_mutex_unlock(&ndone_mutex);

}

Обратите внимание на то, что переменная ndone по-прежнему проверяется, только если потоку принадлежит взаимное исключение. Тогда, если не требуется выполнять какое-либо действие, вызывается функция pthread_cond_wait. Таким образом, вызывающий поток переходит в состояние ожидания, и разблокируется взаимное исключение, которое принадлежало этому потоку. Кроме того, когда управление возвращается потоку функцией pthread_cond_wait (после того как поступил сигнал от какого-либо другого потока), он снова блокирует взаимное исключение.

Почему взаимное исключение всегда связано с условной переменной? «Условие» обычно представляет собой значение некоторой переменной, используемой совместно несколькими потоками. Взаимное исключение требуется для того, чтобы различные потоки могли задавать и проверять значение условной переменной. Например, если в примере кода, приведенном ранее, отсутствовало бы взаимное исключение, то проверка в главном цикле выглядела бы следующим образом:

/* Ждем завершения выполнения одного или нескольких потоков */

while (ndone == 0)

 Pthread_cond_wait(&ndone_cond, &ndone_mutex);

Но при этом существует вероятность, что последний поток увеличивает значение переменной ndone после проверки главным потоком условия ndone == 0, но перед вызовом функции pthread_cond_wait. Если это происходит, то последний «сигнал» теряется, и основной цикл оказывается заблокированным навсегда, так как он будет ждать события, которое никогда не произойдет.

По этой же причине при вызове функции pthread_cond_wait поток должен блокировать соответствующее взаимное исключение, после чего эта функция разблокирует взаимное исключение и помещает вызывающий поток в состояние ожидания, выполняя эти действия как одну атомарную операцию. Если бы эта функция не разблокировала взаимное исключение и не заблокировала его снова после своего завершения, то выполнять эти операции пришлось бы потоку, как показано в следующем фрагменте кода:

/* Ждем завершения выполнения одного или нескольких потоков */

Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

while (ndone == 0) {

 Pthread_mutex_unlock(&ndone_mutex);

 Pthread_cond_wait(&ndone_cond, &ndone_mutex);

 Pthread_mutex_lock(&ndone_mutex);

}

Существует вероятность того, что по завершении выполнения поток увеличит на единицу значение переменной ndone и это произойдет между вызовом функций pthread_mutex_unlock и pthread_cond_wait.

Обычно функция pthread_cond_signal выводит из состояния ожидания один поток, на который указывает условная переменная. Существуют ситуации, когда некоторый поток знает, что из состояния ожидания должны быть выведены несколько потоков. В таком случае используется функция pthread_cond_broadcast, выводящая из состояния ожидания все потоки, которые блокированы условной переменной.

#include <pthread.h>

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cptr);

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cptr, pthread_mutex_t *mptr,

 const struct timespec *abstime);

Обе функции возвращают: 0 в случае успешного выполнения, положительное значение Exxx в случае ошибки

Функция pthread_cond_timedwait позволяет потоку задать предельное время блокирования. Аргумент abstime представляет собой структуру timespec (определенную в разделе 6.9 при рассмотрении функции pselect), которая задает системное время для момента, когда функция должна возвратить управление, даже если к этому моменту условная переменная не подала сигнал. Если возникает такая ситуация, возвращается ошибка ETIME.

В данном случае значение времени является абсолютным значением времени, в отличие от относительного значения разницы во времени (time delta) между некоторыми событиями. Иными словами, abstime — это системное время, то есть количество секунд и наносекунд, прошедших с 1 января 1970 года (UTC) до того момента, когда эта функция должна вернуть управление. Здесь имеется различие как с функцией pselect, так и с функцией select, задающими количество секунд (и наносекунд в случае pselect) до некоторого момента в будущем, когда функция должна вернуть управление. Обычно для этого вызывается функция gettimeofday, которая выдает текущее время (в виде структуры timeval), а затем оно копируется в структуру timespec и к нему добавляется требуемое значение:

struct timeval tv;

struct timespec ts;

if (gettimeofday(&tv, NULL) < 0)

 err_sys("gettimeofday error");

ts.tv_sec = tv.tv_sec + 5; /* 5 с в будущем */

ts.tv_nsec = tv.tv_usec * 1000; /* микросекунды переводим в наносекунды */

pthread_cond_timedwait( , &ts);

Преимущество использования абсолютного времени (в противоположность относительному) заключается в том, что функция может завершиться раньше (возможно, из-за перехваченного сигнала). Тогда функцию можно вызвать снова, не меняя содержимое структуры timespec. Недостаток этого способа заключается в необходимости вызывать дополнительно функцию gettimeofday перед тем, как в первый раз вызывать функцию pthread_cond_timedwait.

ПРИМЕЧАНИЕ

В POSIX определена новая функция clock_gettime, возвращающая текущее время в виде структуры timespec.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Похожие главы из других книг

ГЛАВА 7 Взаимные исключения и условные переменные

Из книги UNIX: взаимодействие процессов автора Стивенс Уильям Ричард

ГЛАВА 7 Взаимные исключения и условные переменные 7.1. Введение Эта глава начинается с обсуждения синхронизации — принципов синхронизации действий нескольких программных потоков или процессов. Обычно это требуется для предоставления нескольким потокам или процессам


7.5. Условные переменные: ожидание и сигнализация

Из книги Программирование на языке Ruby [Идеология языка, теория и практика применения] автора Фултон Хэл

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


7.6. Условные переменные: время ожидания и широковещательная передача

Из книги HTML 5, CSS 3 и Web 2.0. Разработка современных Web-сайтов. автора Дронов Владимир

7.6. Условные переменные: время ожидания и широковещательная передача В обычной ситуации pthread_cond_signal запускает выполнение одного потока, ожидающего сигнал по соответствующей условной переменной. В некоторых случаях поток знает, что требуется пробудить несколько других


Условные выражения

Из книги VBA для чайников автора Каммингс Стив

Условные выражения Условное выражение позволяет нам выполнить одно из двух входящих в него выражений в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия. В качестве условия используется значение логической переменной или результат вычисления логического


Функции и переменные. Локальные переменные

Из книги Linux: Полное руководство автора Колисниченко Денис Николаевич

Функции и переменные. Локальные переменные Объявленные ранее функции создают внутри своего тела собственные переменные. Это так называемые локальные переменные. Такие переменные доступны только внутри тела функции, в котором они объявлены. При завершении выполнения


Условные выражения

Из книги Macromedia Flash Professional 8. Графика и анимация автора Дронов В. А.

Условные выражения Условное выражение позволяет нам выполнить одно из двух входящих в него выражений в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия. В качестве условия используется значение логической переменной или результат вычисления логического


Функции и переменные. Локальные переменные

Из книги Firebird РУКОВОДСТВО РАЗРАБОТЧИКА БАЗ ДАННЫХ автора Борри Хелен

Функции и переменные. Локальные переменные Объявленные ранее функции создают внутри своего тела собственные переменные. Это так называемые локальные переменные. Такие переменные доступны только внутри тела функции, в котором они объявлены. При завершении выполнения


Условные операторы If .. Then.

Из книги Программирование для Linux. Профессиональный подход автора Митчелл Марк

Условные операторы If .. Then. Условные операторы If. . .Then, а также их вариации If. . .Then. . .Else и If. . .ElseIf используются значительно чаще любых других операторов. Довольно часто операторы If. . .Then встречаются и в других главах, но в этой они уж точно в центре внимания. Основная форма


Условные выражения

Из книги UNIX: разработка сетевых приложений автора Стивенс Уильям Ричард

Условные выражения Условное выражение позволяет нам выполнить одно из двух входящих в него выражений в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия. Существует также другая, "вырожденная" разновидность условного выражения, содержащая только одно


4.4.6. Сигнальные (условные) переменные

Из книги автора

4.4.6. Сигнальные (условные) переменные Мы узнали, как с помощью исключающего семафора защитить переменную от одновременного доступа со стороны двух и более потоков и как посредством обычного семафора реализовать счетчик обращений, доступный нескольким потокам.


26.8. Условные переменные

Из книги автора

26.8. Условные переменные Взаимное исключение позволяет предотвратить одновременный доступ к совместно используемой (разделяемой) переменной, но для того чтобы перевести поток в состояние ожидания (спящее состояние) до момента выполнения некоторого условия, необходим


Условные переменные

Из книги автора

Условные переменные Условные переменные (conditional variable, completion variable) — простое средство синхронизации между двумя заданиями, которые работают в режиме ядра, когда необходимо, чтобы одно задание послало сигнал другому о том, что произошло некоторое событие. При этом одно