Алекс Jenter - Программирование на Visual C++. Архив рассылки

Необходимость синхронизации

Если вы помните, в Windows выполняются не процессы, а потоки. При создании процесса автоматически создается его основной поток. Этот поток в процессе выполнения может создавать новые потоки, которые, в свою очередь, тоже могут создавать потоки и т.д. Процессорное время распределяется именно между потоками, и получается, что каждый поток работает независимо.

Все потоки, принадлежащие одному процессу, разделяют некоторые общие ресурсы – такие, как адресное пространство оперативной памяти или открытые файлы. Эти ресурсы принадлежат всему процессу, а значит, и каждому его потоку. Следовательно, каждый поток может работать с этими ресурсами без каких-либо ограничений. Но так ли это в действительности? Вспомним, что в Windows реализованам вытесняющая многозадачность – это значит, что в любой момент система может прервать выполнение одного потока и передать управление другому. (Раньше использовался способ организации, называемый кооперативной многозадачностью . Система ждала, пока поток сам не соизволит передать ей управление. Именно поэтому в случае глухого зависания одного приложения приходилось перезагружать компьютер. Так была организована, например, Windows 3.1). Что произойдет, если один поток еще не закончил работать с каким-либо общим ресурсом, а система переключилась на другой поток, использующий тот же ресурс? Произойдет штука очень неприятная, я вам это могу с уверенностью сказать, и результат работы этих потоков может чрезвычайно сильно отличаться от задуманного. Такие конфликты могут возникнуть и между потоками, принадлежащими различным процессам. Всегда, когда два или более потоков используют какой-либо общий ресурс, возникает эта проблема.

Именно поэтому необходим механизм, позволяющий потокам согласовывать свою работу с общими ресурсами. Этот механизм получил название механизма синхронизации потоков (thread synchronization).

Структура механизма синхронизации

Что же представляет собой этот механизм? Это набор объектов операционной системы, которые создаются и управляются программно, являются общими для всех потоков в системе (некоторые – для потоков, принадлежащих одному процессу) и используются для координирования доступа к ресурсам. В качестве ресурсов может выступать все, что может быть общим для двух и более потоков – файл на диске, порт, запись в базе данных, объект GDI, и даже глобальная переменная программы (которая может быть доступна из потоков, принадлежащих одному процессу).

Объектов синхронизации существует несколько, самые важные из них – это взаимоисключение (mutex), критическая секция (critical section), событие (event) и семафор (semaphore). Каждый из этих объектов реализует свой способ синхронизации. Какой из них следует использовать в каждом конкретном случае вы поймете, подробно познакомившись с каждым из этих объектов. Также в качестве объектов синхронизации могут использоваться сами процессы и потоки (когда один поток ждет завершения другого потока или процесса); а также файлы, коммуникационные устройства, консольный ввод и уведомления об изменении (к сожалению, освещение этих объектов синхронизации выходит за рамки данной статьи).

В чем смысл объектов синхронизации? Каждый из них может находиться в так называемом сигнальном состоянии . Для каждого типа объектов это состояние имеет различный смысл. Потоки могут проверять текущее состояние объекта и/или ждать изменения этого состояния и таким образом согласовывать свои действия. Что еще очень важно – гарантируется, что когда поток работает с объектами синхронизации (создает их, изменяет состояние) система не прервет его выполнения, пока он не завершит это действие. Таким образом, все конечные операции с объектами синхронизации являются атомарными (неделимыми), как бы выполняющимися за один такт.

Важно понимать, что никакой реальной связи между объектами синхронизации и ресурсами нет. Они не смогут предотвратить нежелательный доступ к ресурсу, они лишь подсказывают потокам, когда можно работать с ресурсом, а когда нужно подождать. Можно провести грубую аналогию со светофорами – они показывают, когда можно ехать, но ведь в принципе водитель может и не обратить внимания на красный свет (правда, потом он об этом скорее всего пожалеет ;)

Работа с объектами синхронизации

Чтобы создать тот или иной объект синхронизации, производится вызов специальной функции WinAPI типа Create… (напр. CreateMutex). Этот вызов возвращает дескриптор объекта (HANDLE), который может использоваться всеми потоками, принадлежащими данному процессу. Есть возможность получить доступ к объекту синхронизации из другого процесса – либо унаследовав дескриптор этого объекта, либо, что предпочтительнее, воспользовавшись вызовом функции открытия объекта (Open…). После этого вызова процесс получит дескриптор, который в дальнейшем можно использовать для работы с объектом. Объекту, если только он не предназначен для использования внутри одного процесса, обязательно присваивается имя. Имена всех объектов должны быть различны (даже если они разного типа). Нельзя, например, создать событие и семафор с одним и тем же именем.