Роб Кёртен - Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform
Давайте рассмотрим вызовы, которые вы могли бы использовать при применении блокировок чтения/записи.
Первые два вызова используются для инициализации внутренних областей памяти для rwlock-блокировок (чтения/записи):
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *lock,
const pthread_rwlockattr_t *attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *lock);
Функция pthread_rwlock_init() принимает аргумент lock (типа pthread_rwlock_t) и инициализирует его атрибутами, указанными в параметре attr. В нашем примере мы применим атрибут NULL, что будет означать «применить значения по умолчанию». Более подробно об этом см. документацию на функции:
pthread_rwlockattr_init();
pthread_rwlockattr_destroy();
pthread_rwlockattr_getpshared();
pthread_rwlockattr_setpshared().
Когда мы закончим свои дела с блокировкой чтения/записи, её следует уничтожить функцией pthread_rwlock_destroy().
Никогда не используйте блокировку, которая либо уже уничтожена, либо еще не инициализирована.
Далее, мы должны выбрать блокировку подходящего типа. Как отмечалось выше, в основном применяются два режима блокировки: «читателю» желательно иметь «неэксклюзивный» доступ, а для «писателю» — «эксклюзивный». Для упрощения имен, функции названы по именам своих пользователей:
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *lock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *lock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t* lock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *lock);
Существует четыре функции блокировки, а не две, как вы могли бы предположить. Очевидно, «предполагаемыми» функциями были pthread_rwlock_rdlock() и pthread_rwlock_wrlock(), используемые «читателями» и «писателями», соответственно.
Это — собственно блокирующие вызовы: если блокировка для выбранной операции недоступна, поток будет блокирован. Когда блокировка становится доступной в соответствующем режиме, поток будет разблокирован, из чего он сможет предположить, что теперь можно спокойно обращаться к защищенному блокировкой ресурсу.
Иногда, тем не менее, поток может не захотеть блокироваться, желая вместо этого просто узнать, доступна ли нужная блокировка. Для этого и существуют версии функций, содержащие в имени «try» («проверка»). Важно отметить, что «проверочные» версии получат блокировку, если она доступна, но если нет, тогда они не будут блокированы, а только возвратят код ошибки. Причина, по которой они должны получать блокировку, если она доступна, очень проста. Предположим, что поток хочет получить блокировку на чтение, но не хочет ждать, если блокировка окажется недоступной. Поток вызывает функцию pthread_rwlock_tryrdlock(), и оказывается, что блокировка доступна. Если бы функция pthread_rwlock_tryrdlock() не захватывала доступную блокировку немедленно, могли бы произойти неприятные вещи — наш поток мог бы быть, к примеру, вытеснен другим потоком, а тот, в свою очередь, мог бы блокировать нужный нам ресурс. Поскольку первому потоку фактически не была предоставлена блокировка, после возобновления ему придется вызывать pthread_rwlock_rdlock(), и вот теперь он будет заблокирован, поскольку ресурс более недоступен. Иными словами, в такой ситуации даже поток, не желающий блокироваться и поэтому вызывающий «проверочную» версию, по-прежнему может быть заблокирован!
Наконец, независимо от того, как блокировка нами применялась, нам необходим способ ее освобождения:
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t* lock);
После того как поток выполнил нужную операцию с ресурсом, он освобождает блокировку, вызывая функцию pthread_rwlock_unlock(). Если блокировка теперь становится доступной в режиме, который запрошен и ожидается другим потоком, то этот ждущий поток будет переведен в состояние готовности (READY).
Отметим, что мы не смогли бы реализовать такую форму синхронизации только с помощью мутекса. Мутекс рассчитан только на один поток, что было бы хорошо в случае записи (чтобы только один поток мог использовать ресурс в определенный момент времени), но оплошал бы в случае считывания, потому что не допустил бы к ресурсу более чем одного «читателя». Семафор также был бы бесполезен, потому что нельзя было бы отличить два режима доступа — применение семафора могло бы обеспечить доступ нескольких «читателей», но если бы семафором попытался завладеть «писатель», его вызов ничем бы не отличался от вызова «читателей», что вызвало бы некрасивую ситуацию с множеством «читателей» и множеством же «писателей»!
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);
He дайте префиксу pthread_ себя обмануть. Эти функции не предусмотрены стандартами POSIX.
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».
