Ждущие блокировки

Ждущие блокировки

Другая типовая ситуация в многопоточных программах — это потребность заставить поток «ждать чего-либо». Этим «чем- либо» может являться фактически что угодно! Например, когда доступны данные от устройства, или когда конвейерная лента находится в нужной позиции, или когда данные сохранены на диск, и т.д. Еще одна хитрость этой ситуации состоит в том, что одного и того же события могут ожидать несколько потоков.

Для таких целей мы могли бы использовать либо условную переменную (condition variable), о которой речь ниже, либо, что гораздо проще, ждущую блокировку (sleepon).

Для применения ждущих блокировок надо выполнить несколько операций. Рассмотрим сначала вызовы, а затем вернемся к использованию ждущих блокировок.

int pthread_sleepon_lock(void);

int pthread_sleepon_unlock(void);

int pthread_sleepon_broadcast(void *addr);

int pthread_sleepon_signal(void *addr);

int pthread_sleepon_wait(void *addr);

Как было отмечено ранее, потоку может быть необходимо ждать какого-нибудь события. Наиболее очевидный выбор из представленного выше списка функций — это функция pthread_sleepon_wait(). Но сначала поток должен проверить, надо ли ждать. Давайте приведем пример. Один поток представляет собой поток-«поставщик», который получает данные от неких аппаратных средств. Другой поток — поток-«потребитель» и он неким образом обрабатывает поступающие данные. Рассмотрим сначала поток-«потребитель»:

volatile int data_ready = 0;

consumer() {

 while (1) {

  while (!data_ready) {

   // wait

  }

  // Обработать данные

 }

}

«Потребитель» вечно находится в своем главном обрабатывающем цикле (while(1)). Первое, что он проверяет — это флаг data_ready. Если этот флаг равен 0, это означает, что данных нет, и их надо ждать. Впоследствии поток-«производитель» должен будет как-то «разбудить» его, и тогда поток-«потребитель» должен будет повторно проверить состояние флага data_ready. Положим, что происходит именно это. Поток-«потребитель» анализирует состояние флага и определяет, что флаг равен 1, то есть данные теперь доступны. Поток-«потребитель» переходит к обработке поступивших данных, после чего он должен снова проверить, не поступили ли новые данные, и так далее.

Здесь мы можем столкнуться с новой проблемой. Как «потребителю» сбрасывать флаг data_ready согласованно с «производителем»? Очевидно, нам понадобится некоторая форма монопольного доступа к флагу, чтобы в любой момент времени только один из этих потоков мог модифицировать его. Метод, который применен в данном случае, заключается в применения мутекса, но это внутренний мутекс библиотеки ждущих блокировок, так что мы сможем обращаться к нему только с помощью двух функций: pthread_sleepon_lock() и pthread_sleepon_unlock(). Давайте модифицируем наш поток-«потребитель»:

consumer() {

 while (1) {

  pthread_sleepon_lock();

  while (!data_ready) {

   // WAIT

  }

  // Обработать данные

  data_ready = 0;

  pthread_sleepon_unlock();

 }

}

Здесь мы добавили «потребителю» установку и снятие блокировки. Это означает, что потребитель может теперь надежно проверять флаг data_ready, не опасаясь гонок, а также надежно его устанавливать.

Великолепно! А как насчет собственно процесса ожидания? Как мы и предполагали ранее, там действительно применяется вызов функции pthread_sleepon_wait(). Вот второй while-цикл:

while (!data_ready) {

 pthread_sleepon_wait(&data_ready);

}

Функция pthread_sleepon_wait() в действительности выполняет три действия:

1. Разблокирует мутекс библиотеки ждущих блокировок.

2. Выполняет собственно операцию ожидания.

3. Снова блокирует мутекс библиотеки ждущих блокировок.

Причина обязательной разблокировки/блокировки мутекса библиотеки проста: поскольку суть мутекса состоит в обеспечении взаимного исключения доступа к флагу data_ready, мы хотим запретить потоку-«производителю» изменять флаг data_ready, пока мы его проверяем. Но если мы не разблокируем флаг впоследствии, то поток-«производитель» не сможет его установить, чтобы сообщить нам о доступности данных! Операция повторной блокировки выполняется автоматически исключительно для удобства, чтобы вызвавший функцию pthread_sleepon_wait() поток не беспокоился о состоянии блокировки после «пробуждения».

Давайте перейдем теперь к потоку-«производителю» и рассмотрим, как он использует библиотеку ждущих блокировок. Вот его полная реализация:

producer() {

 while (1) {

  // Ждать прерывания от оборудования...

  pthread_sleepon_lock();

  data_ready = 1;

  pthread_sleepon_signal(&data_ready);

  pthread_sleepon_unlock();

 }

}

Как вы видите, поток-«производитель» также блокирует мутекс, чтобы получить монопольный доступ к флагу data_ready перед его установкой.

Давайте рассмотрим происходящее в подробностях. Определим состояния «потребителя» и «производителя» следующим образом:

Последняя строка в таблице повторяет первую — мы совершили один полный цикл.

Каково назначение флага data_ready? Он служит для двух целей:

• Он является флагом состояния — посредником между «потребителем» и «производителем», указывающим на состояние системы. Если флаг установлен в состояние 1, это означает, что данные доступны для обработки; если этот флаг установлено в состояние 0, это означает, что данных нет, и поток-потребитель должен быть заблокирован.

• Он выполняет функцию «места, где происходит синхронизация со ждущей блокировкой». Более формально говоря, адрес переменной data_ready используется как уникальный идентификатор объекта, по которому осуществляется ждущая блокировка. Мы запросто могли бы применить «(void*)12345» вместо «&data_ready» — библиотеке ждущих блокировок все равно, что это за идентификатор, лишь бы он был уникален и корректно использовался. Использование же в качестве идентификатора адреса переменной есть надежный способ сгенерировать уникальный номер, поскольку не бывает же двух переменных с одинаковым адресом!

• К обсуждению различий между функциями pthread_sleepon_signal() и pthread_sleepon_broadcast() мы еще вернемся в разговоре об условных переменных.