Механизмы синхронизации в операционной системе Windows

Рассмотрим конкретную реализацию механизмов синхронизации в операционной системе Windows.

Организация программного комплекса, состоящего из нескольких процессов или потоков, неминуемо приводит к необходимости синхронизации выполняемых фрагментов программы. Синхронизация может иметь разные аспекты: поток может получать сообщение о завершении фрагмента другого потока, ему может быть запрещено обращаться к некоторым данным, пока с ними работает другой поток, также могут накладываться ограничения на количество потоков, которые используют одни и те же данные.

Синхронизация процессов и потоков осуществляется с помощью различных объектов Windows, к которым относятся как сами потоки и процессы, так и программные средства: критические секции, семафоры, мьютексы, события. Для объектов, служащих для синхронизации, в системе предусмотрено два состояния — свободное (signaled) и занятое (nonsignaled). Занятое состояние объекта используется для запрета тех или иных действий, а свободное — для разрешения.

Анализ состояния осуществляется с помощью двух функций синхронизации — WaitForSingleObject(HANDLE hObject, DWORD dwTimeout) и WaitForMultipleObject(DWORD cObjects, HANDLE *lphObjects, BOOL fWaitAll, DWORD dwTimeout). В функции WaitForMultipleObject() первый параметр означает число синхронизирующих объектов, второй — адрес массива дескрипторов объектов, третий — флаг ожидания (TRUE или FALSE), четвертый — лимит времени ожидания в миллисекундах. Чтобы функция ожидала событие в течение неограниченного времени, то в качестве последнего параметра следует указать константу INFINITE. Усыпление потока — это очень эффективная операция. Когда поток спит, он не потребляет системных ресурсов. Можно усыпить поток функцией Sleep(). А теперь преступим к подробному рассмотрению объектов.

Итак, критические секции. Критической секцией называется фрагмент программы, который должен обладать монопольным доступом к некоторым данным любого содержания и объема. Их особенность в том, что в отличие от остальных объектов синхронизации, они годятся только для потоков. Чтобы использовать критические секции в программе, следует определить глобальную переменную типа CRITICAL_SECTION. Эта переменная никак не связана с потоками и общими данными. Она лишь определяет, можно ли в данный момент предоставить доступ к общим данным тому или иному потоку. В первичном потоке следует выполнить инициализацию критической секции, вызвав функцию InitializeCriticalSection(). Фрагменты функций потоков, в которых осуществляется обращение к общим данным, следует защищать функциональными скобками EnterCriticalSection().LeaveCriticalSectoin(). Механизм критических секций очень прост. Например, работают два потока: в первом происходит операция и чтение/запись в общие данные, а второй лишь пытается работать с ними. Как только второй поток вызовет функцию EnterCriticalSection(), он остановится и будет ждать, пока первый не закончит работу с данными, вызвав функцию LeaveCriticalSectoin().

Перейдем к мьютексам. Они очень похожи на критические секции. Для применения мьютексов следует объявить глобальную переменную типа HANDLE, в которую будет помещен дескриптор мьютекса. Необходимо инициализировать дескриптор мьютекса, вызывая функцию CreateMutex().

Надо отметить, что программа, в которой реализованы мьютексы, работает на порядок медленнее, чем программа с критическими секциями. Это обусловлено тем, что на выполнение функций EnterCriticalSection() и LeaveCriticalSectoin() уходит девять машинных команд, в то время как организация мьютексов и использование функций WaitForSingleObject() и WaitForMultipleObject() требуют 600 команд. Поэтому не стоит использовать мьютексы там, где можно обойтись без них.

Рассмотрим объект событие. Это эффективный, но не самый легкий способ синхронизации. С помощью этого объекта поток уведомляет другой поток об окончании каких-либо действий (например, подготовки данных для печати). Событие перед использованием надо создать, использовав функцию CreateEvent().

События могут быть двух видов: со сбросом вручную и с автосбросом. События со сбросом вручную требуют явной установки состояния с помощью функции SetEvent(). События с автосбросом сбрасывают свое состояние, как только в управляемом потоке функция ожидания события обнаружит, что событие установлено, и соответственно разбудит поток. События с автосбросом удобно использовать в циклических фрагментах программы. Создать событие со сбросом вручную можно, задав в качестве значения параметра bInitialState константу TRUE (для события с автосбросом — FALSE). Существует функция PulseEvent(), которая устанавливает в качестве параметра событие в свободное состояние и, после того как все ожидающие потоки проснулись, тут же снова сбрасывает его, предотвращая повторное выполнение защищенных участков потоков, пока это событие не будет явно установлено в управляющем потоке.

Теперь рассмотрим семафоры. В отличие от других объектов синхронизации, семафоры имеют еще и счетчик ресурса. Семафор считается сброшенным, если значение счетчика равно нулю. Функции ожидания, примененные к семафору, не сбрасывают его в занятое состояние, а лишь уменьшают на единицу значение его счетчика. Следовательно, к семафору можно несколько раз применять функцию ожидания. Для семафоров отведена функция ReleaseSemaphore(), которая увеличивает на единицу значение счетчика. Для создания семафора служит функция CreateSemaphore(). Она имеет четыре параметра. Первый и последний аналогичны функции CreateEvent(), а второй и третий — это начальное и максимальное значение счетчика соответственно. Семафоры удобно использовать в тех случаях, когда в программе имеется ограниченное количество экземпляров определенного ресурса. Создав в них семафор с начальным значением счетчика, равным числу имеющихся экземпляров ресурса, мы можем обеспечить одновременное использование любого их количества — от одного до максимума.

Выводы

1. Синхронизация позволяет сбалансировать распределение между этапами предварительной обработки и выполнения и установить определенный уровень совместного использования ресурсов в среде выполнения.

2. Механизм временного запрещения доступа применяется для упорядочения обслуживания запросов на все вычислительные ресурсы системы, исключая процессор, переключение которого осуществляется диспетчером.

3. Существуют два типа механизмов, обеспечивающих временный запрет на доступ к определенному ресурсу, названных соответственно P- и V- семафорами.