Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон

Операции по управлению семафором

Как упоминалось выше, к семафору можно получить доступ только с помощью специальных операций, подобных тем, которые выполняются с объектами. Это операции декремента, P(), и инкремента, V(). Если объект Mutex представляет собой семафор, то логика реализации операций P (Mutex) и V (Mutex) м ожет выглядеть таки м образо м:

P(Mutex)

if (Mutex > 0) {

Mutex--;

} else {

Блокирование по объекту Mutex;

}

V(Mutex)

if(Oчepeдь доступа к объекту Mutex не пуста){

Передача объекта Мьютекс следующей задаче;

} else {

Mutex++;

}

Реализация зависит от конкретной систе м ы. Эти операции неделимы, т.е. их невозможно прервать. Если операцию P () попытаются выполнить сразу несколько задач, то лишь одна из них получит разрешение продолжить работу. Если объект Mutex был уже декре м ентирован, то задача будет заблокирована и зай м ет м есто в очереди. Операци я V () вызываетс я задачей, которая и м еет доступ к объекту Mutex. Если получения доступа к объекту Мьютекс ожидают дру г ие задачи, он «передается » следующей задаче из очереди. Если очередь задач пуста, объект Mutex инкрементируетс я.

Операции с семафором могут иметь другие имена:

Операци я P(): lock()

Операци я V(): unlock()

Значение семафора зависит от его типа. Двоичный семафор будет иметь значение 0 или 1. Вычислительный семафор (определяю щ ий лимиты ресурсов для процессов, получающих доступ к ним) может иметь некоторое неотрицательное целочисленное значение.

Стандарт POSIX определяет несколько типов семафоров. Эти семафоры испо л ьзуются процессами или потоками. Типы семафоров (а также их некоторые основные операции) перечислены в табл. 5.1.

Таблица 5 .1. Типы семафоров, определенные стандартом POSIX

Тип семафора

Пользователь

Описание

Мьютексный семафор

Процессы или потоки

Механизм, используемый для реализации взаимного исключения в критическом разделе кода

Блокировка для обеспечения чтения и записи

Процессы или потоки

Механизм, используемый д

л

я реализации стратегии доступа для чтения и записи среди потоков

Условная переменная

Процессы или потоки

Механизм, используемый д

л

я уведом

л

ения потоков о том, что произош

л

о событие.

Событийный мьютекс остается заблокированным потоком до тех пор, пока не будет получен соответствующий сигнал

Несколько условных переменных

Процессы или потоки

Аналогичен событийному мьютексу, но включает несколько событий или условий

Операционные системы, которые не противоречат спецификации Single UNIX Specification или стандарту POSIX Standard, поддерживают реализацию семафоров, которые являются частью библиотеки libpthread (соответствующие функции объявлены в заголовке pthread. h).

Мьютексные семафоры

Стандарт POSIX определяет мьютексный семафор, используемый потоками и процессами, как объект типа pthread_mutex_t. Этот мьютекс обеспечивает базовые операции, необходимые для функционирования практического механизма синхронизации:

• инициализация;

• запрос на монопольное использование;

• отказ от монопольного использования;

• тестирование монопольного использования;

• разрушение.

Функции класса pthread_mutex_t, которые используются для выполнения этих базовых операций, перечислены в табл. 5.2. Во время инициализации выделяется память, необходимая для функционирования мьютексного семафора, и объекту семафора присваивается некоторое начальное значение. Для двоичного семафора начальным может быть значение 0 или 1. Начальным значением вычислительного семафора может быть неотрицательное число, которое представляет количество доступных ресурсных единиц. Семафорное значение можно использовать для представления предельного количества запросов, которое способна обработать программа в одном сеансе. В отличие от обычных переменных, в инициализации которых сомневаться не приходится, факт инициализации мьютекса с помощью вызова соответствующей функции гарантировать невозможно. Чтобы убедиться в том, что мьютекс проинициализирован, необходимо после вызова операции инициализации принять некоторые меры предосторожности (например, проверить значение, возвращаемое соответствующей мьютекс-ной функцией, или значение переменной errno). Системе не удастся создать мьютекс, если окажется, что занята память, предусмотренная ранее для мьютексов, или превышено допустимое количество семафоров, или семафор с данным именем уже существует, или же имеет место какая-то другая проблема, связанная с выделением памяти.

Таблица 5.2. Фу н кции класса pthread_mutex_t

Инициализация int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

pthread_mutex_t mutex =PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

Запрос на монопольное использование #include <pthread.h>

<time.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,

const struct timespec *restrict abs_timeout);

Отказ от монопольного использо вания int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

Тестирование монопольно г о использования int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

Разрушение int pthread_mutex_destroy(

pthread_mutex_t *mutex);

Подобно потокам, мьютекс библиотеки Pthread имеет атрибутный объект (он рассматривается ниже), который инкапсулирует все атрибуты мьютекса. Этот атрибутный объект можно передать функции инициализации, в результате чего будет создан мьютекс с атрибутами, заданными с помощью этого объекта. Если при инициализации атрибутный объект не используется, мьютекс будет инициализирован значениями, действую щ ими по умолчанию. Объект типа pthread_mutex_t инициализируется как деблокированный и закрытый. Закрытый мьютекс разделяется между потоками одно г о процесса. Разделяемый мьютекс совместно используется потоками нескольких процессов. При использовании атрибутов, действую щ их по умолчанию, мьютекс может быть инициализирован статически для статических мьютексных объектов с помощью следующего макроса:

pthread_mutex_t Mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; [11]

Этот метод менее затратный, но в нем не предусмотрено проверки ошибок.

Мьютекс может иметь или не иметь владельца. Операция запроса на монопольное использование предоставляет право владения мьютексом вызывающему потоку или процессу. После того как мьютекс обрел владельца, поток (или процесс) получает монопольный доступ к запрашиваемому ресурсу. При попытке завладеть «уже занятым» мьютексом (путем вызова этой операции), совершенной любыми другими потоками или процессами, они будут заблокированы до тех пор, пока мьютекс не станет доступным. При освобождении мьютекса следующий (по очереди) поток или процесс (который был заблокирован) деблокируется и получает право собственности на этот мьютекс. И освободить его может только поток, получивший данный мьютекс во владение с помощью функции pthread_mutex_lock(). Можно также использовать синхронизированную версию этой функции. В этом случае, если мьютекс несвободен, то процесс или поток будет ожидать в течение заданного промежутка времени. Если мьютекс за это время не освободится, то процесс или поток продолжит выполнение.