QNX/UNIX: Анатомия параллелизма - Олег Цилюрик

Для каждого типа семафоров существует своя группа функций, применение которых не должно смешиваться.

sem_init() и sem_destroy() — создание и разрушение неименованного семафора. При создании указывается параметр доступа из других потоков и начальное значение счетчика семафора. С неинициализированным семафором никаких операций проводить нельзя (это общее правило справедливо и для всех иных примитивов синхронизации). После разрушения семафора его необходимо повторно инициализировать для использования.

Обе функции возвращают 0 в случае успеха и -1 в случае ошибки. Код ошибки записывается в переменной errno. В частности, функция sem_init() может сигнализировать о следующих ошибках выполнения:

EAGAIN — в данный момент нет ресурсов для инициализации семафора;

EINVAL — начальное значение счетчика превышает SEM_VALUE_MAX;

EPERM — у процесса недостаточно привилегий для инициализации семафора;

ENOSPC — ресурсы, необходимые для инициализации, исчерпаны;

ENOSYS — функция sem_init() не поддерживается реализацией системы.

При вызове функции sem_destroy() может регистрироваться только одна ошибка:

EINVAL — неправильный описатель семафора.

sem_open() и sem_close() — открытие и закрытие именованного семафора (если отсутствует ранее созданный семафор с таким именем, то его создание). В вопросе подключения и отключения работа с именованным семафором аналогична работе с обычным файлом. Также для именованных семафоров существует операция sem_unlink(), аналогичная операции unlink() для обычного файла. В функцию sem_open() передается имя семафора, параметры открытия семафора и дополнительные параметры в случае создания семафора.

Операции блокировки

Для семафора определены три модификации операции блокировки:

int sem_wait(sem_t* sem);

int sem_trywait(sem_t* sem);

#include <time.h>

int sem_timedwait(sem_t* sem, const struct timespec * abs_timeout);

Все эти функции опираются на функцию (native QNX API):

int SyncSemWait(sync_t* sync, int try);

Функция простого ожидания sem_wait() пытается выполнить декремент счетчика семафора. Если исходное значение счетчика было больше или равно 1, то функция после выполнения операции декремента возвращает управление в вызвавший код. Если же значение внутреннего счетчика семафора равнялось 0, выполнение вызвавшего функцию потока блокируется до тех пор, пока какой-либо другой поток не увеличит значение счетчика семафора. После того как значение счетчика будет увеличено, блокированный поток получает управление (в порядке очереди), выполняет (завершает) декремент счетчика семафора и возвращает управление. Блокированное состояние потока может быть также прервано получением направленного ему сигнала (см. главу 3).

Функция ожидания с проверкой семафора, sem_trywait(), до выполнения операции над семафором проверяет значение счетчика. Если это значение больше нуля, функция выполняет декремент счетчика, а если значение равно нулю - возвращает управление потоку, не блокируясь на ожидании доступности семафора (но захват семафора в этом случае не происходит, о чем извещает код возврата).

Функция ожидания с тайм-аутом, sem_timedwait(), ожидает возможности уменьшить на 1 счетчик семафора (блокируется на ожидании) до момента времени abs_timeout. Это ожидание реализовано с помощью функции TimerTimeout() (native QNX API) с параметром SIGEV_UNBLOCK. Благодаря этой функции может быть прерван ряд состояний блокировки потоков (в том числе блокировки на семафоре, мьютексе и условной переменной).

Операции освобождения

int sem_post(sem_t* sem);

Эта операция увеличивает на единицу (инкремент) внутренний счетчик семафора, и в этом она диаметрально противоположна операции блокировки. Если перед этим значение счетчика семафора было равно 0, то один из потоков, ожидающих разблокирования семафора, переходит в состояние готовности. Из списка ожидающих потоков система выбирает самый приоритетный, а если таких несколько, то поток, дольше всех ждавший из очереди наиболее приоритетных потоков.

Эта функция имеет свой оригинал в native API QNX:

int SyncSemPost(sync_t* sync);

Фактически разница между POSIX и QNX API в вариантах этой функции состоит в регистрируемых ею ошибках.

Функция sem_post() сообщает о следующих ошибках:

EINVAL — неверный дескриптор семафора sem;

ENOSYS — функция sem_post() не поддерживается системой.

В отличие от sem_post(), функция SyncSemPost() может указывать на ошибки:

EAGAIN — недостаточно памяти для создания внутреннего объекта синхронизации;

EFAULT — неверный указатель на семафор sync;

EINTR — выполнение функции прервано сигналом;

EINVAL — аргумент sync не указывает на инициированный семафор.

Как видим, функция QNX API несколько разнообразнее в плане контроля передаваемых аргументов и результата выполнения функции.

Получение статуса семафора

int sem_getvalue(sem_t* sem, int* value);

Эта функция используется преимущественно для отладки операций над семафорами. По адресу, указанному в value, устанавливается текущее значение счетчика семафора. Поскольку значение счетчика семафора может измениться в любой момент, то значение, которое возвращает эта функция, имеет смысл только непосредственно в точке ее вызова.

Возможные ошибки:

EINVAL — неправильный объект семафор sem.

Использование семафора

Как уже говорилось выше, семафор является крайне гибким и эффективным средством синхронизации, особенно удобным для построения собственных средств планирования выполнения потоков. В этом смысле семафор представляет ценность не только как самостоятельное средство синхронизации выполнения потоков, но и как материал для построения специфических средств планирования и синхронизации для конкретных задач. Мы уже говорили, что семафор образует самодостаточный базис, позволяющий строить гораздо более сложные средства синхронизации без привлечения других средств синхронизации. В принципе это так, но нет ничего плохого и в смешанном использовании как семафоров, так и мьютексов для построения собственных средств синхронизации.

Проиллюстрируем все вышесказанное на двух примерах. Сначала мы построим «очередь сообщений», предназначенную для трансляции сообщений графической системы к «медленному» обработчику реакций. Это одно из решений весьма распространенной задачи о предотвращении «зависания» пользовательского интерфейса на период выполнения медленного обработчика. Для решения этой задачи обработчик события оконной системы (например, нажатия кнопки или выбора пункта меню) и функция, которая непосредственно производит требуемые действия (предусмотренные по наступлению указанного события - нажатия кнопки), должны располагаться в разных потоках.

Было бы удобно, если бы при поступлении новых данных от графической системы поток обработки автоматически (неявно) разблокировался и немедленно приступал к обработке, а в периоды отсутствия таких данных - простаивал в блокированном состоянии. Для реализации такой схемы мы построили синхронизирующую очередь сообщений, которая использует семафор для уведомления потока обработки о наличии новых данных. В принципе указанная задача сводится к уже упоминавшемуся ранее классу задач о синхронизации производителя и потребителя данных.

class event {

 /* класс синхронизирующего события, доставляющего

    уведомление о добавлении нового элемента в буфер */

public:

 event() { sem_init(&_block, 0, 0); }

 ~event() { sem_destroy(&_block); }

 void wait() { sem_wait(&_block); }

 void reset() { sem_post(&_block); }

private:

 sem_t _block;

};

/* шаблонный класс очереди данных */

template <class T> class CDataQueue {

public:

 CDataQueue() {}

 ~CDataQueue() {}

 void push(T _new_data) {

  _data_queue.push(_new_data);

  data_event.reset();

 }

 T pop() {

  data_event.wait();

  T res = _data_queue.front();

  _data_queue.pop();

  return res;

 }

private:

 std::queue<T> _data_queue;

 event data_event;

};

Принцип работы CDataQueue заключается в том, что для хранения вновь поступающих данных используется очередь, что делает практически независимыми потоки производителя и потребителя. Независимыми во всех случаях, кроме пустой очереди. Потребитель должен быть блокирован до тех пор, пока нет данных от производителя. Как только производитель внесет данные в очередь, поток потребителя разблокируется и считает эти данные. Тонкость заключается в том, что поток потребителя блокируется сам при вызове функции pop(), а разблокируется из потока производителя при вызове им функции push().