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

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

Ниже представлена иллюстрация этого:

Связь мутексов и условных переменных по схеме «один к одному»

Одно интересное замечание. Поскольку никаких проверок не выполняется, вы можете, например, связать один набор переменных с мутексом «MutexABC», другой — с мутексом «MutexDEF», и сопоставить обоим наборам переменных одну и ту же условную переменную «CondvarABCDEF»:

Связь мутексов и условных переменных по схеме «один ко многим».

Это весьма полезное свойство. Поскольку мутекс должен использоваться для «проверки и изменения» всегда, это подразумевает, что я должен буду выбрать правильный мутекс всякий раз, когда мне понадобится доступ к некоей переменной. Вполне логично — если я, скажем, проверяю переменную «С», то, очевидно, мне потребуется заблокировать мутекс «MutexABC». А что если я хочу изменить переменную «E»? Хорошо, перед этим я должен буду захватить мутекс «MutexDEF». Затем я ее изменяю и сообщаю об этом другим потокам через условную переменную «CondvarABCDEF», после чего освобождаю мутекс.

А теперь смотрите, что происходит. Толпа потоков, ждавших на условии «CondvarABCDEF», вдруг резко «просыпается» (по функции pthread_cond_wait()). Их функции ожидания немедленно пытаются повторно захватить мутекс. Критическим моментом здесь является то, что мутексов два. (В зависимости от того, изменения какой переменной поток ждал, его функция ожидания попытается захватить либо MutexABC, либо MutexDEF — прим. ред.) Это означает, что в SMP-системе возникли бы две конкурирующие очереди потоков, и в каждой потоки будут проверять как бы независимые переменные, используя при этом независимые мутексы. Круто, да?

Дополнительные сервисы QNX/Neutrino

QNX/Neutrino позволяет делать еще ряд изящных вещей. POSIX утверждает, что с мутексом должны работать потоки одного и того же процесса, но позволяет в соответствующей реализации эту концепцию расширять. В QNX/Neutrino это расширение сводится к тому, что мутекс может использоваться потоками различных процессов. Чтобы понять, почему это работает, вспомните: то, что мы рассматриваем как «операционную систему», реально состоит из двух частей — ядра, которое занимается диспетчеризацией, и администратора процессов, который, наряду со всем остальным, заботится о защите памяти и «процессах». Мутекс — всего-навсего объект синхронизации потоков. Поскольку ядро работает только с потоками, то реально ему все равно, какие потоки работают в каких процессах, это уже забота администратора.

Итак, если вы установили область разделяемой памяти между двумя процессами и разместили в ней мутекс, ничто не мешает вам с его помощью синхронизировать потоки в двух (или более!) процессах — функции pthread_mutex_lock() и pthread_mutex_unlock() будут работать точно так же.

Пулы потоков

Другое существенное дополнение в QNX/Neutrino — это понятие пула потоков. Вы будете часто обращать внимание в ваших программах на то обстоятельство, что вам хотелось бы иметь несколько потоков и управлять их поведением в определенных пределах. Например, для сервера вы можете решить, что первоначально в ожидании сообщения от клиента должен быть блокирован только один поток. Когда этот поток получит сообщение и пойдет обслуживать запрос, вы можете принять решение о том, что хорошо было бы создать другой поток и блокировать его в ожидании на случай поступления другого запроса — тогда этот запрос будет кому обработать. И так далее. Через некоторое время, когда все запросы будут обслужены, у вас может оказаться большое число потоков, бездействующих в ожидании. Чтобы не расходовать ресурсы впустую, вам, возможно, захочется уничтожить некоторые из этих «лишних» потоков.

Подобные операции в жизни — обычное дело, и для задач такого рода QNX/Neutrino предоставляет для этого специальную библиотеку.

В более ранних (до 2.00) версиях QNX/Neutrino была предусмотрена подобная функциональность, но она была скрыта в библиотеке администратора ресурсов. В версии 2.00 эти функции были вынесены из библиотеки администратора ресурсов в отдельную библиотеку. Мы еще вернемся к функциям работы с пупами потоков в главе «Администраторы ресурсов».

В рамках данного обсуждения важно понять, что следует различать два режима потоков в пулах:

• режим блокирования;

• режим обработки.

В режиме блокирования поток обычно вообще не использует ресурсы процессора. В типовом сервере это соответствует ситуации, когда поток ждет сообщения. Противоположностью этого режима является режим обработки, в котором поток может как использовать, так и не использовать ресурсы процессора — это зависит от структуры процесса. Чуть позже мы рассмотрим функции работы с пулами потоков, и вы увидите, что они дают возможность управлять количеством как блокированных, так и обрабатывающих потоков.

Для работы с пулами потоков в QNX/Neutrino предусмотрены следующие функции:

#include <sys/dispatch.h>

thread_pool_t *thread_pool_create(

 thread_pool_attr_t *attr, unsigned flags);

int thread_pool_destroy(thread_pool_t *pool);

int thread_pool_start(void *pool);

Как видно из имен функций, вы в первую очередь создаете пул потоков, используя функцию thread_pool_create(), а затем запускаете этот пул при помощи функции thread_pool_start(). Когда вы закончили свои дела с пулом потоков, вы можете использовать функцию thread_pool_destroy() для его уничтожения. Заметьте, что функция thread_pool_destroy() может вам вообще не понадобиться — например, когда ваша программа суть сервер, который работает «вечно».

Итак, первая функция, на которую следует обратить внимание — это функция thread_pool_create(). У нее два параметра: attr и flags. Параметр attr — атрибутная запись, которая определяет рабочие параметры пула потоков (см. <sys/dispatch.h>):

typedef struct _thread_pool_attr {

 // Функции и дескриптор пула потоков

 THREAD_POOL_HANDLE_T *handle;

 THREAD_POOL_PARAM_T *(*block_func)

  (THREAD_POOL_PARAM_T *ctp);

 void (*unblock_func)(THREAD_POOL_PARAM_T *ctp);

 int (*handler_func) (THREAD_POOL_PARAM_T *ctp);

 THREAD_POOL_PARAM_T *(*context_alloc)

  (THREAD_POOL_HANDLE_T *handle);

 void *(*context_free)(THREAD_POOL_PARAM_T *ctp);

 // Параметры пула потоков

 pthread_attr_t *attr;

 unsigned short lo_water;

 unsigned short increment;

 unsigned short hi_water;

 unsigned short maximum;

} thread_pool_attr_t;

Я разбил определение типа thread_pool_attr_t на два раздела, один из которых содержит функции и дескриптор для потоков в пуле, а в другом — рабочие параметры пула.

Управление числом потоков

Сначала проанализируем «параметры пула потоков», чтобы понять, как можно управлять числом потоков в пуле и их атрибутами. Имейте в виду, что здесь мы будем говорить о «режиме блокирования» и «режиме обработки» (далее, когда мы будем рассматривать функции исходящих вызовов (callout functions), мы увидим, как эти эти режимы соотносятся).

Приведенный ниже рисунок иллюстрирует связи между параметрами lo_water, hi_water и maximum.

Жизненный цикл потока в пуле потоков.

(Заметьте, что как «CA» здесь обозначается функция context_alloc(), как «CF» — функция context_free(), как «режим блокирования» — функция block_func(), а как «режим обработки» — функция handler_func().

attr Это атрибутная запись, которая применяется при создании потока. Мы уже обсуждали эту структуру ранее (в разделе «Атрибутная запись потока»). Вспомните — это та самая структура, которая задает характеристики нового потока: приоритет, размер стека, и т.д. lo_water (От «Low watermark», буквально — «нижняя ватерлиния» — прим. ред.) Этот параметр задает минимальное количество потоков, которые должны находиться в режиме блокирования. В типовом сервере это было бы количество потоков, например, ждущих запроса. Если число ждущих потоков меньше, чем значение параметра lo_water, (например, потому что мы только что приняли сообщение, и один из ждущих потоков переключился на его обработку), тогда создается дополнительно еще increment потоков. Это представлено на рисунке в виде первого этапа, обозначенного как «создание потока». increment (Буквально — «приращение» — прим. ред.) Этот параметр определяет, сколько потоков должны быть созданы сразу, если число потоков, находящихся в режиме блокирования, становится меньше значения параметра lo_water. В выборе значения для этого параметра вы бы наиболее вероятно начали со значения 1 (единица). Это означало бы, что если бы число потоков в режиме блокирования стало бы меньше значения параметра lo_water, то пулом потоков был бы создан дополнительно ровно один поток. Для более тонкой настройки параметра increment можно понаблюдать за поведением процесса и определить, может ли этому параметру понадобиться принимать значения, отличные от единицы. Например, если ваш процесс периодически получает «всплески» запросов, то из того, что число потоков, находящихся в режиме блокирования, упало ниже значения lo_water, можно было бы сделать вывод как раз о таком «всплеске» и принять решение о создании более чем одного резервного потока. hi_water (От «high watermark», буквально — «верхняя ватерлиния» — прим. ред.) Этот параметр указывает верхний предел числа потоков, которые могут быть в режиме блокирования одновременно. По мере завершения своих операций по обработке данных, потоки обычно будут возвращаться в режим блокирования. Однако, у библиотеки поддержки пулов потоков есть внутренний счетчик числа потоков, находящихся в режиме блокирования, и если его значение превышает значение параметра hi_water, библиотека автоматически уничтожит поток, который вызвал переполнение (то есть тот поток, который только что завершил обработку и намеревался возвратиться в режим блокирования). Это показано на рисунке раздвоением стрелки, исходящей из блока «режим обработки» — одна стрелка ведет к «режиму блокирования», а вторая — к блоку операции «CF» и далее на уничтожение потока. Таким образом, сочетание параметров lo_water и hi_water позволяет вам четко определять диапазон числа потоков, одновременно находящихся в режиме блокирования. maximum Параметр указывает на максимальное число потоков, которые вообще могут работать одновременно в результате действий библиотеки поддержки пулов потоков. Например, при создании новых потоков в случае их нехватки (когда число блокированных потоков падает ниже границы lo_water) общее количество потоков было бы ограничено параметром maximum.

Другой ключевой параметр, предназначенный для управления потоками, — это параметр flags, передаваемый функции thread_pool_create(). Он может принимать одно из следующих значений: