Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

• Название: Системное программирование в среде Windows
• Автор: Джонсон Харт
• Издательство: Издательский дом "Вильямс"
• Жанр: Программирование
• Год: 2005
• ISBN: 5-8459-0879-5

Эта книга посвящена вопросам разработки приложений с использованием интерфейса прикладного программирования операционных систем компании Microsoft (Windows 9х, Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003). Основное внимание уделяется базовым системным службам, включая управление файловой системой, процессами и потоками, взаимодействие между процессами, сетевое программирование и синхронизацию. Рассматривается методика переноса приложений, написанных в среде Win32, в среду Win64. Подробно описываются все аспекты системы безопасности Windows и ее практического применения. Изобилие реальных примеров, доступных также и на Web-сайте книги, существенно упрощает усвоение материала.

Книга ориентирована на разработчиков и программистов, как высокой квалификации, так и начинающих, а также будет полезна для студентов соответствующих специальностей.

---

• Функция PulseEvent должна применяться к событию при блокированном мьютексе, чтобы никакой другой поток не мог изменить объект, что могло бы сделать недействительным условие, определенное предикатом.

• Поток потребителя тестирует предикат переменной условия при блокированном мьютексе. Если условие, выраженное предикатом, выполняется, выполнять функцию ожидания нет никакой необходимости.

• Если же условие, выраженное предикатом, не выполняется, поток потребителя должен разблокировать мьютекс до выполнения ожидания события. Если этого не сделать, то никакой поток вообще не сможет изменить состояние и установить событие.

• Интервал ожидания события должен быть конечным, чтобы обеспечить правильную обработку в том случае, если поток производителя применит к событию функцию PulseEvent в промежутке времени между освобождением мьютекса (шаг 1) и выполнением ожидания события (шаг 2). Таким образом, без использования конечного интервала ожидания сигнал мог бы потеряться, что является еще одним примером проявления проблемы состязательности. К потере сигналов могут приводить и асинхронные вызовы процедур, описанные далее в этой главе. Используемый в приведенном выше фрагменте кода интервал ожидания является настраиваемым параметром. (С комментариями по поводу оптимальных значений этого параметра вы можете ознакомиться, обратившись к приложению В.)

• По завершении ожидания события поток потребителя всегда повторно проверяет выполнение условия, определенного предикатом. Среди прочих других причин, это необходимо делать с учетом того, что интервал ожидания может просто исчерпаться. Кроме того, за это время состояние также могло измениться. Например, поток производителя мог сгенерировать два сообщения, а затем освободить три ожидающих потока потребителя, в результате чего один из потребителей проверит состояние, определит, что сообщения отсутствуют, и продолжит выполнение ожидания. Наконец, повторная проверка предиката необходима для защиты от ложного пробуждения потоков, которое могло бы произойти в результате того, что поток установит событие в сигнальное состояние или применит к нему функцию PulseEvent без предварительного блокирования мьютекса. 

• После выхода из цикла поток потребителя всегда сохраняет за собой право владения мьютексом, независимо от того, выполнялось или не выполнялось тело цикла.

Разновидности модели переменных условий

Прежде всего, обратите внимание на то, что в предшествующем фрагменте кода используется сбрасываемое вручную событие и вызывается функция PulseEvent, а не функция SetEvent. Является ли такой выбор корректным и возможен ли иной способ использования события? Ответ на оба эти вопросы является положительным.

Вернувшись к табл. 8.1, можно увидеть, что сбрасываемые вручную события характеризуются освобождением нескольких потоков. Это именно так в случае нашего примера, в котором генерируются несколько сообщений и существует несколько потоков потребителя, и все они должны быть оповещены о произошедших изменениях. В то же время, если поток производителя создает всего лишь одно сообщение и имеется несколько потоков потребителя, то событие должно быть автоматически сбрасываемым, а поток производителя должен вызывать функцию SetEvent, чтобы обеспечить освобождение только одного потока. В этом случае мы имеем дело не с сигнальной разновидностью модели CV, а с широковещательной. При этом по-прежнему остается существенным, чтобы освобожденный поток потребителя, который приобретает права владения мьютексом, изменил объект для указания того, что доступные сообщения отсутствуют (то есть, что условие, определяемое предикатом переменной условия, уже не выполняется).

Из четырех возможных комбинаций, указанных в табл. 8.1, для модели переменных условий важны только две. Что касается двух других комбинаций, то в силу конечности интервала ожидания эффект комбинации "автоматически сбрасываемое событие/PulseEvent" будет тем же, что и комбинации "автоматически сбрасываемое событие/SetEvent" (сигнальная модель CV), однако зависимость от длительности интервала ожидания приведет к снижению характеристик реактивности.

Использование же комбинации "вручную сбрасываемое событие/PulseEvent" приведет к появлению ложных сигналов (от которых, правда, можно защититься проверкой предикатов переменных условий), поскольку событие должно быть сброшено каким-либо из потоков, а до сброса события потоки будут состязаться между собой.

Подводя итоги, можно сделать вывод, что комбинация "автоматически сбрасываемое событие/SetEvent" представляет собой сигнальную модель CV, в которой освобождается единственный из ожидающих потоков, а комбинация "вручную сбрасываемое событие/PulseEvent" — широковещательную модель CV, в которой освобождаются все ожидающие потоки. Для потоков Pthreads существуют те же различия, но использование конечных интервалов ожидания событий для широковещательной модели в данном случае не требуется, тогда как в Windows этот фактор является весьма существенным, поскольку освобождение мьютекса и ожидание события не выполняются атомарно, то есть за одну операцию. В то же время, введение функции SignalObjectAndWait меняет эту ситуацию.

Пример предиката переменной условия

Рассмотрим следующий предикат переменной условия:

State.StateVar.Count >= K;

В данном случае поток потребителя будет ожидать до тех пор, пока значение счетчика не станет достаточно большим, и поток производителя может увеличивать это значение на произвольную величину. Отсюда, например, становится понятным, как можно реализовать сложные семафоры; вспомните, что обычные семафоры не допускают атомарного выполнения нескольких функций ожидания. В данном же случае поток потребителя может просто уменьшить значение счетчика на К единиц после выхода из цикла, но перед тем, как освободить мьютекс.

Заметьте, что в данном случае подходит широковещательная модель CV, поскольку один поток производителя может увеличить значение счетчика и тем самым разрешить выполнение нескольким, но не всем ожидающим потокам потребителя.

Семафоры и модель переменных условий

В некоторых случаях уместнее использовать не события, а семафоры, преимущество которых заключается в том, что они позволяют указывать точное количество потоков, которые необходимо освободить. Например, если бы было известно, что каждый из потоков потребителя может получить только одно сообщение, то поток производителя мог бы вызвать функцию ReleaseSemaphore, используя в качестве параметра точное количество сгенерированных сообщений. Однако в общем случае потоку производителя ничего не известно о том, каким образом отдельные потоки потребителя изменят структуру переменной состояния, и поэтому модель переменных условий применима для решения более широкого круга задач.

Модель CV обладает достаточно мощными возможностями, которых хватает для реализации семафоров. Как уже отмечалось ранее, в основе этого метода лежит определение предиката, эквивалентного утверждению: "значение счетчика является ненулевым", и создание структуры состояния, содержащей текущее значение счетчика и его максимально допустимое значение. В упражнении 10.11 представлено завершенное решение, позволяющее манипулировать функциями ожидания путем изменения значений счетчика на несколько единиц одной операцией. Создание семафоров для потоков Pthreads не предусмотрено, поскольку переменные условий предоставляют достаточно широкие возможности. 

Использование функции SignalObjectAndWait

Цикл, выполняемый потоком потребителя в предшествующем фрагменте кода, играет очень важную роль в модели CV, поскольку в нем выполняется ожидание изменения состояния, а затем проверяется, является ли состояние именно тем, какое требуется. Последнее условие может не выдерживаться, если событие оказывается слишком обобщенным, указывая, например, только на сам факт изменения состояния, а не на характеристики такого изменения. К тому же, другие потоки могут дополнительно изменить состояние, например, очистить буфер сообщений. Упомянутый цикл требовал выполнения двух функций ожидания и одной функции освобождения мьютекса, как показано ниже.

while (!cvp(&State)) {

 ReleaseMutex(State.Guard);

 WaitForSingleObject(State.CvpSet, TimeOut);

 WaitForSingleObject(State.Guard, INFINITE);

}

Использование конечного интервала ожидания (time-out) при выполнении первой функции ожидания (ожидание события) требуется здесь для того, чтобы избежать потери сигналов или возникновения других вероятных проблем. Этот код будет работать как под управлением Windows 9x, так и под управлением Windows NT 3.5 (еще одна устаревшая версия Windows), а предыдущий фрагмент кода сохранит свою работоспособность и в том случае, если мьютексы заменить объектами CS.