QNX/UNIX: Анатомия параллелизма - Цилюрик Олег Иванович

# nice -n-19 a1 -n10000000 -a -v

all cycles - 441158981; on operation - 44

Условная переменная

Одним из важнейших принципов использования мьютексов является максимальное сокращение размеров критической секции, то есть участка, который потоки должны проходить последовательно. Однако зачастую возникает необходимость ожидания выполнения некоторого условия внутри критической секции.

Реализация подобного ожидания «в лоб» привела бы к тому, что все потоки, разделяющие данную критическую секцию, были бы вынуждены ждать выполнения условия для каждого из них. При «правильной» реализации ожидания поток должен освобождать мьютекс на время ожидания и вновь захватывать его, когда ожидаемое условие выполняется. Специально для этого случая стандартом POSIX предусмотрены условные переменные. QNX Neutrino реализует условные переменные как на уровне вызовов микроядра в своем native API, так и в соответствии со стандартом POSIX.

Отметим, что дополнение мьютекса условной переменной делает их комбинацию универсальным базисом, на котором могут быть построены любые сколь угодно сложные в своем поведении объекты синхронизации.

Фактически совместное использование мьютекса и условной переменной создает специфический комбинированный объект синхронизации, который может иметь принципиально более широкое применение, чем отдельно взятый мьютекс. Тем не менее поведение этого объекта синхронизации не столь просто и далеко не очевидно. Рассмотрим его более подробно.

На рис. 4.1 приведена блок-схема операций, выполняемых потоком при использовании мьютекса и условной переменной для синхронизации. Линиями отделены операции, выполняющиеся «внутри» функций, указанных справа. Обратите внимание, что наиболее сложная логика соответствует вызову функции ожидания на условной переменной.

Рис. 4.1. Схема действий потока при выполнении синхронизации с применением пары мьютекс-условная переменная (обратите внимание, что операции при участии мьютекса (1, 2, 3) выполняются дважды.)

Проблема в первую очередь заключается в том, что внутри критической секции, отмеченной вызовами функций pthread_mutex_lock()и pthread_mutex_unlock(), не может находиться более одного потока в единый момент времени. Следовательно, даже если поток, блокированный на условной переменной, и получит pthread_cond_signal()или pthread_cond_broadcast(), он не сможет немедленно продолжить свое выполнение, если внутри критической секции уже находится другой поток. В этом случае разблокированный (на условной переменной) поток изменяет свой статус с «блокированного на условной переменной» (в котором он находился до этого) на статус «блокированного на мьютексе» и пребывает в нем до тех пор, пока текущий владелец не освободит мьютекс.

Все функции операций над условной переменной и ее атрибутами реализованы в заголовочном файле <pthread.h>. Если для вызова функции необходимы дополнительные заголовочные файлы, это будет указано особо.

Операции над условной переменной

Параметры условной переменной

int pthread_condattr_init(pthread_condattr_t* attr);

Функция инициализирует структуру атрибутов условной переменной, на которую указывает параметр attr. Структура данных pthread_condattr_tопределена в файле <pthread.h>и является производной от типа syncattr_t, описанного в разделе «Параметры мьютекса». При инициализации атрибуты устанавливаются в значения по умолчанию.

Возвращаемые значения:

EOK— успешное завершение;

ENOMEM— недостаточно памяти для инициализации атрибутов условной переменной attr.

Для условной переменной возможна модификация значительно меньшего числа параметров, чем для мьютекса. Следующие функции описывают доступ к этим параметрам.

int pthread_condattr_setpshared(

 pthread_condattr_t* attr, int pshared);

int pthread_condattr_getpshared(

 const pthread_condattr_t* attr, int* pshared);

Функции устанавливают/считывают, возможен ли доступ к условной переменной из потоков, порожденных в других процессах. Параметр psharedможет принимать следующие значения:

•  PTHREAD_PROCESS_SHARED— любой поток, имеющий доступ к области памяти, в которой расположена условная переменная, может ее использовать.

•  PTHREAD_PROCESS_PRIVATE(значение по умолчанию) — только поток, созданный в контексте того же процесса, в котором находится условная переменная, может ее использовать. Если поток из другого процесса попытается использовать условную переменную, созданную с параметром PTHREAD_PROCESS_PRIVATE, результат будет не определен.

Возвращаемые значения:

EOK— успешное завершение;

EINVAL— атрибуты условной переменной, на которые указывает attr, или новое значение, на которое ссылается pshared, не определены.

int pthread_condattr_setclock(

 pthread_condattr_t* attr, clockid_t id);

int pthread_condattr_getclock(

 const pthread_condattr_t* attr, clockid_t* id);

Функции устанавливают/считывают, каким способом (т.e. на основании какого счетчика) вычисляется значение тайм-аута при вызовах pthread_cond_timedwait(). Этот параметр в QNX Neutrino 6.2 не является обязательным и введен в соответствии со стандартом POSIX 1003.1j (draft). На практике можно устанавливать только значение REALTIME_CLOCKв качестве параметра id;это же значение является значением по умолчанию.

Возвращаемые значения:

EOK— успешное завершение;

EINVAL— неверный аргумент attr.

Разрушение блока параметров

int pthread_condattr_destroy(pthread_condattr_t* attr);

Функция разрушает блок параметров условной переменной, на которые указывает attr, после чего он уже не может использоваться без повторной инициализации.

На практике разрушение параметров объекта синхронизации не имеет особого смысла. Вы всегда можете переопределить атрибуты, содержащиеся в переменной attr, для инициализации других условных переменных.