Введение в QNX/Neutrino 2. Руководство по программированию приложений реального времени в QNX Realtime Platform - Роб Кёртен

  pthread_mutex_unlock(&mutex);

 }

}

main() {

 printf(

  "Начало примера с производителем и потребителем...n");

 // Создать поток-производитель и поток-потребитель

 pthread_create(NULL, NULL, producer, NULL);

 pthread_create(NULL, NULL, consumer, NULL);

 // Дать потокам немного повыполняться

 sleep(20);

}

Этот пример в значительной степени похож на программу с применением ждущей блокировки, с небольшими отличиями (мы добавили несколько вызовов printf(), а также функцию main(), чтобы программа могла работать!) Первое отличие, которое бросается в глаза, — здесь использован новый тип данных, pthread_cond_t. Это просто декларация для условной переменной; мы назвали нашу условную переменную condvar.

Следующее, что видно из примера, — это то, что структура «потребителя» идентична таковой в предыдущем примере с ждущей блокировкой. Мы заменили функции pthread_sleepon_lock() и pthread_sleepon_unlock() на стандартные мутекс-ориентированные версии (pthread_mutex_lock() и pthread_mutex_unlock()). Функция pthread_sleepon_wait() была заменена на функцию pthread_cond_wait().

Основное различие здесь состоит в том, что библиотека ждущих блокировок имеет скрытый внутренний мутекс, а при использовании условных переменных мутекс передается явно. Последний способ дает нам больше гибкости.

И, наконец, обратите внимание на то, что мы использовали функцию pthread_cond_signal() вместо функции pthread_sleepon_signal() (опять же, с явной передачей мутекса).

В разделе о ждущих блокировках мы обещали обсудить различие между функциями pthread_sleepon_broadcast() и pthread_sleepon_signal(). Заодно поговорим и о различии между двумя аналогичными функциями, имеющими отношение к условным переменным: pthread_cond_signal() и pthread_cond_broadcast().

В двух словах, функция в варианте «signal» разблокирует только один поток. Например, если бы несколько потоков находилось в ожидании по функции «wait», и некий поток вызвал бы функцию pthread*_signal(), то был бы разблокирован только один из ждущих потоков. Который из них? Тот, у которого наивысший приоритет. Если имеется два или более потоков с одинаковым приоритетом, порядок «пробуждения» будет не определен. Применение же варианта pthread*_broadcast() приведет к тому что будут разблокированы все ожидающие потоки.

Разблокировать все потоки может показаться излишним. Но с другой стороны, разблокировать только один (причем случайный поток тоже не совсем корректно.

Поэтому мы должны думать, где имеет смысл использовать какой вариант. Очевидно, что если у вас только один ждущий поток, как у нас и было во всех вариантах «потребителя», функция pthread*_signal() прекрасно справится — будет разблокирован один поток, и как раз тот, который нужно (потому что других просто нет).

В ситуации с несколькими потоками в первую очередь следует выяснить: а почему они ждут? Обычно на этот вопрос есть два ответа:

• все потоки рассматриваются как эквивалентные и реально образуют пул доступных потоков, готовых к обработке некоторого запроса;

• все потоки являются уникальными, и каждый из них ждет соблюдения своего специфического условия.

В первом случае мы можем представить себе, что код всех потоков имеет примерно следующий вид:

/*

 * cv1.c

*/

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex_data = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_cond_t cv_data = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

int data;

thread1() {

 for (;;) {

  pthread_mutex_lock(&mutex_data);

  while (data == 0) {

   pthread_cond_wait(&cv_data, &mutex_data);

  }

  // Сделать что-нибудь

  pthread_mutex_unlock(&mutex_data);

 }

}

В этом случае абсолютно неважно, который именно из потоков получит данные — главное, чтобы хотя бы один сделал это и произвел над этими данными необходимые действия.

Однако, если ваш код подобен приведенному ниже, все будет несколько по-иному:

/*

 * cv2.c

*/

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex_xy = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_cond_t cv_xy = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

int x, y;

int isprime(int);

thread1() {

 for (;;) {

  pthread_mutex_lock(&mutex_xy);

  while ((x > 7) && (y != 15)) {

   pthread_cond_wait(&cv_xy, &mutex_xy);

  }

  // Сделать что-нибудь

  pthread_mutex_unlock(&mutex_xy);

 }

}

thread2() {

 for (;;) {

  pthread_mutex_lock(&mutex_xy);

  while (!isprime(x)) {

   pthread_cond_wait(&cv_xy, &mutex_xy);

  }

  // Сделать что-нибудь

  pthread_mutex_unlock(&smutex_xy);

 }

}

thread3() {

 for (;;) {

  pthread_mutex_lock(&mutex_xy);

  while (x != y) {

   pthread_cond_wait(&cv_xy, &mutex_xy);

  }

  // Сделать что-нибудь

  pthread_mutex_unlock(&mutex_xy);

 }

}

В этом случае пробуждение одного потока ничего не даст! Здесь мы обязаны «разбудить» все три потока, чтобы каждый из них проверил соблюдение своего условия.

Это в полной мере отражает второй вариант ответа на наш вопрос «а почему они ждут?» Так как все потоки все ждут соблюдения различных условий (поток thread1() ждет, пока значение x не станет меньше или равно 7, или пока значение у не станет равным 15, поток thread2() ждет, пока значение x не станет простым числом, а поток thread3() ждет, пока x не станет равным у), у нас нет никакого выбора, кроме как «разбудить» все потоки «одновременно».

Ждущие блокировки имеют одно основное преимущество в сравнении с условными переменными. Предположим, что вам надо синхронизировать множество объектов. Используя условные переменные, вы бы ассоциировали с каждым объектом отдельную условную переменную — если бы у вас было M объектов, вы, скорее всего, определили бы M условных переменных. При применении же ждущих блокировок соответствующие им условные переменные создаются динамически по мере постановки потоков на ожидание, поэтому в этом случае на M объектов и N блокированных потоков у вас было бы максимум N, а не M условных переменных.

Однако, условные переменные более универсальны, чем ждущие блокировки, и вот почему:

1. Ждущие блокировки в любом случае основаны на условных переменных.

2. Мутексы ждущих блокировок скрыты в библиотеке; условные переменные позволяют вам задавать его явно.

Первый пункт сам по себе достаточно убедителен. :-) Второй, однако, имеет еще и практический смысл. Когда мутекс скрыт в библиотеке, это означает, что он может быть только один на процесс, независимо от числа потоков в этом процессе или от количества переменных. Это может быть сильно ограничивающим фактором, особенно если принять во внимание, что вам придется использовать один-единственный мутекс для синхронизации доступа всех имеющихся потоков в процессе ко всем нужным им переменным!

Намного лучшая схема состоит в применении нескольких мутексов — по одному на каждый набор данных — и явно сопоставлять им условные переменные по мере необходимости. Как мощь, так и опасность этого подхода заключаются в том, что ни на этапе компиляции, ни на этапе выполнения не будет производиться никаких проверок, и вам придется самим следить за:

• блокировкой мутексов перед доступом к соответствующим переменным;

• применением правильного мутекса для каждой переменной;

• применением правильной условной переменной для соответствующих мутекса и переменной (данных).

Самый простой путь решения этих проблем — грамотно проектировать и тщательно проверять, а также заимствовать приемы объектно-ориентированного программирования (например, встраивать мутексы в структуры данных, создавать для обращения к структурам данных специализированные подпрограммы, и т.д.). Разумеется, то, в какой степени вы примените первый, второй, или оба варианта, будет зависеть не только от вашего стиля программирования, но и от требований производительности.

Ключевыми моментами при использовании условных переменных являются:

1. Мутексы следует использовать для проверки и изменения переменных.

2. Условные переменные следует использовать в качестве «точки встречи».