Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

Как ни соблазнительно пытаться рассматривать мьютекс как частный случай семафора, значение счетчика которого задано равным 1, это было бы заблуждением ввиду отсутствия понятия прав владения семафором. Семафор может быть освобожден любым потоком, а не только тем, который ожидает. Точно так же, поскольку нельзя говорить о правах владения семафором, отсутствует и понятие покинутого семафора.

Классической областью применения семафоров является управление распределением конечных ресурсов, когда значение счетчика семафора ассоциируется с определенным количеством доступных ресурсов, например, количеством сообщений, находящихся в очереди. Тогда максимальное значение счетчика соответствует максимальному размеру очереди. Таким образом, производитель помещает сообщение в буфер и вызывает функцию ReleaseSemaphore, обычно с увеличением значения счетчика на 1 (cReleaseCount). Потоки потребителя будут ожидать перехода семафора в сигнальное состояние, получая сообщения и уменьшая значения счетчика.

Вслед за рассмотрением программы 9.1 обсуждается другой важный случай применения семафоров, когда они используются для ограничения количества рабочих потоков, фактически выполняющихся в любой момент времени, что позволяет снизить состязательность между ними, а в некоторых случаях — повысить производительность. Эта методика, в которой используются дроссели семафоров (semaphore throttles), обсуждается в главе 9.

Опасность возникновения условий состязаний в программе sortMT (программа 7.2) иллюстрирует другое возможное применение семафоров, связанное с управлением точным количеством потоков, которые должны находиться в пробужденном состоянии. Можно создать все потоки, не приостанавливая их. После этого все они сразу же переходят к ожиданию перехода в сигнальное состояние семафора, инициализированного значением 0. Далее, главный поток вместо того, чтобы освобождать потоки, просто вызывает функцию ReleaseCount с увеличением счетчика, например, на 4 (или на любое другое значение, соответствующее количеству потоков), в результате чего возможность выполняться получат четыре потока.

Несмотря на все удобства, которые сулит использование семафоров, они являются в некотором смысле излишними в том смысле, что мьютексы и события (описанные в одном из следующих разделов), при условии их совместного использования, предлагают гораздо более широкие возможности, чем семафоры. Более подробная информация по этому поводу содержится в главе 10.

В Windows существуют важные ограничения, касающиеся реализации семафоров. Например, каким образом поток может потребовать, чтобы счетчик семафора уменьшился на 2? Для этого поток мог бы организовать ожидание два раза подряд, как показано ниже, но эта операция не была бы атомарной, поскольку в промежутке между двумя вызовами функции ожидания данный поток может быть вытеснен. В результате этого, как описывается ниже, может наступить взаимоблокировка (deadlock) потоков.

/* hsem – дескриптор семафора. Максимальное значение счетчика семафора равно 2. */

…

/* Уменьшить значение счетчика семафора на 2. */

WaitForSingleObject(hSem, INFINITE);

WaitForSingleObject(hSem, INFINITE);

…

/* Увеличить значение счетчика семафора на 2. */

ReleaseSemaphore(hSem, 2, &PrevCount);

Чтобы увидеть, каким образом в подобной ситуации может возникнуть взаимоблокировка, предположим, что максимальное и начальное значения счетчика устанавливаются равными 2 и что первый из двух потоков завершает первый цикл ожидания, а затем вытесняется. Далее второй поток может завершить первый цикл ожидания и уменьшить значение счетчика до 0. Оба потока окажутся блокированными на неопределенное время, поскольку ни одна из них не сможет выполнить второй цикл ожидания. Такая простая ситуация взаимоблокировки является довольно типичной.

Один из возможных вариантов правильного решения заключается в том, чтобы защитить циклы ожидания при помощи мьютекса или объекта CRITI-CAL_SECTION, как показано в приведенном ниже фрагменте программного кода:

/* Уменьшаем значение счетчика семафора на 2. */

EnterCriticalSection(&csSem);

WaitForSingleObject(hSem, INFINITE);

WaitForSingleObject(hSem, INFINITE);

LeaveCriticalSection (&csSem);

…

ReleaseSemaphore(hSem, 2, &PrevCount);

Но и эта реализация, в таком общем виде, страдает ограничениями. Предположим, например, что в счетчике семафора остается две единицы, и потоку А необходимы три единицы, а потоку В — только две. Если первой начнет выполняться поток А, то он выполнит два цикла ожидания и блокируется на третьем, продолжая владеть мьютексом. При этом поток В, которому были необходимы только две единицы, по-прежнему будет оставаться блокированным.