Использование блокировок чтения-записи для реализации стратегии доступа

Блокировки чтения-записи можно использовать для реализации стратегии доступа CREW (параллельное чтение и исключающая запись). Согласно этой стратегии возможность параллельно считывать данные может быть предоставлена сразу нескольким задачам, но только одна задача получит право доступа для записи. При выполнении монопольной записи в этом случае не будет дано разрешение на параллельное чтение данных. Использование блокировок чтения-записи для защиты критических разделов продемонстрировано в листинге 5.3.

// Листинг 5.3. Пример использования потоками блокировок

// чтения-записи

//...

pthread_t ThreadA, ThreadB, ThreadC, ThreadD ; pthread_rwlock_t RWLock;

void *producerl(void *X) {

pthread_rwlock_wrlock(&RWLock) ; // Критический раэдел.

pthread_rwlock_unlock(&RWLock) ; return(0);

}

void *producer2 (void *X) {

pthread_rwlock_wrlock(&RWLock) ; // Критический раздел.

pthread_rwlock_unlock(&RWLock) ;

}

void *consumerl(void *X) {

pthread_rwlock_rdlock(&RWLock); // Критический раздел.

pthread_rwlock_unlock(&RWLock); return(0);

}

void *consumer2(void *X) {

pthread_rwlock_rdlock(&RWLock); // Критический раздел.

pthread_rwlock__unlock(&RWLock); return(0);

}

int main(void) {

pthread_rwlock_init(&RWLock,NULL); // Устанавливаем атрибуты мьютекса. pthread_create(&ThreadA, NULL, producerl, NULL) pthread_create(&ThreadB, NULL, consumerl, NULL) pthread_create(&ThreadC,NULL,producer2,NULL) pthread_create(&ThreadD,NULL, consumer2,NULL) //.. .

return(0);

}

В листинге 5.3 создаются четыре потока. Два потока, ThreadA и ThreadC, выполняют роль изготовителей, а остальные два (ThreadB и ThreadD) — потребителей. Все потоки имеют критический раздел, который защищается объектом блокировки чтения-записи RWLock. Потоки ThreadB и ThreadD могут входить в свои критические разделы параллельно или последовательно, но это исключено, если поток ThreadA или ThreadC пребывает в своем критическом разделе. Потоки ThreadA и ThreadC не могут входить в свои критические разделы параллельно. Частичная таблица решении для листинга 5.3 показана в табл. 5.6.

Таблица 5.6. Час т ич н ая таблица решений для листинга 5.3

Условные переменные

Условная переменная представляет собой семафор, используемый для сигнализации о событии, которое произошло. Сигнала о том, что произошло некоторое событие, может ожидать один или несколько процессов (или потоков) от других процессов или потоков. Следует понимать различие между условными переменными и рассмотренными выше мьютексными семафорами. Назначение мьютексного семафора и блокировок чтения-записи — синхронизировать доступ к данным, в то время как условные переменные обычно используются для синхронизации последовательности операций. По этому поводу в своей книге UNIX Network Programming прекрасно высказался Ричард Стивенс (W. Richard Stevens): « Мьютексы нужно использовать для блокирования, а не для ожидания ».

В листинге 4.6 поток-«потребитель» содержал цикл:

15 while(TextFiles.empty())

16 {}

Поток-«потребитель» выполнял итерации цикла до тех пор, пока в очереди TextFiles были элементы. Этот цикл можно заменить условной пере м енной. Поток-«изготовитель» сигналом уведомляет потребителя о том, что в очередь помещены элементы. Поток-«потребитель» может ожидать до тех пор, пока не получит сигнал, а затем перейдет к обработке очереди.

Условная переменная имеет тип pthread_cond_t. Ниже перечислены типы операций, которые может она выполнять:

• инициализация;

• разрушение;

• ожидание;

• ожидание с ограничением по времени;

• адресная сигнализация;

• всеобщая сигнализация;

Операции инициализации и разрушения выполняются условными переменными подобно аналогичным операциям других мьютексов. Функции класса pthread_cond_t, которые реализуют эти операции, перечислены в табл. 5.7.

Таблица 5.7. Функции класса pthread_cond_t, которые реализуют операции условных переменных

Условные переменные используются совместно с мьютексами. При попытке заблокировать мьютекс поток или процесс будет заблокирован до тех пор, пока мьютекс не освободится. После разблокирования поток или процесс получит мьютекс и продолжит свою работу. При использовании условной переменной ее необходимо связать с мьютексом.

//. . .

pthread_mutex_lock(&Mutex) ;

pthread_cond_wait(&EventMutex, &Mutex);

//. . .

pthread_mutex_unlock(&Mutex) ;

Итак, некоторая задача делает попытку заблокировать мьютекс. Если мьютекс уже заблокирован, то эта задача блокируется. После разблокирования задача освободит мьютекс Mutex и при этом будет ожидать сигнала для условной переменной EventMutex . Если мьютекс не заблокирован, задача будет ожидать сигнала неограниченно долго. При ожидании с ограничением по времени задача будет ожидать сигнала в течение заданного интервала времени. Если это время истечет до получения задачей сигнала, функция возвратит код ошибки. Затем задача вновь затребует мьютекс.

Выполняя адресную сигнализацию, задача уведомляет другой поток или процесс о том, что произошло некоторое событие. Если задача ожидает сигнала для заданной условной переменной, эта задача будет разблокирована и получит мьютекс. Если сразу несколько задач ожидают сигнала для заданной условной переменной, то разблокирована будет только одна из них. Остальные задачи будут ожидать в очереди, и их разблокирование будет происходить в соответствии с используемой стратегией планирования. При выполнении операции всеобщей сигнализации уведомление получат все задачи, ожидающие сигнала для заданной условной переменной. При разблокировании нескольких задач они будут состязаться за право владения мьютексом в соответствии с используемой стратегией планирования. В отличие от операции ожидания, задача, выполняющая операцию сигнализации, не предъявляет прав на владение мьютексом, хотя это и следовало бы сделать.

Условная переменная также имеет атрибутный объект, функции которого перечислены в табл. 5.8.

Таблица 5.8. Функции доступа к атрибутному объекту для условной переменной типа pthread_cond_t

• int pthread_condattr_init ( pthread_condattr_t * attr) Инициализирует атрибутный объект условной переменной, заданный параметром attr, значениями, действующими по умолчанию для всех атрибутов, определенных реализацией;

• int pthread_condattr_destroy ( pthread_condattr_t * attr) ; Разрушает атрибутный объект условной переменной, заданный параметром attr. Этот объект можно инициализировать повторно, вы-звав функцию pthread_condattr_init ()

• int pthread_condattr_setpshared ( pthread_condattr_t * attr,int pshared);

• int pthread_condattr_getpshared ( const pthread_condattr_t * restrict attr, int *restrict pshared); Устанавливает или возвращает атрибут process-shared атрибутного объекта условной переменной, заданного параметром attr. Параметр pshared может содержать следующие значения:

• PTHREAD_PROCESS_SHARED (разрешает блокировку чтения-записи, разделяемую любыми потоками, которые имеют доступ к памяти, выделенной для этой условной переменной, даже если потоки принадлежат различным процессам);

• PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (Условная Переменная разделяется между потоками одного процесса)

• int pthread_condattr_setclock ( pthread_condattr_t * attr, clockid_t clock_id);

• int pthread_condattr_getclock ( const pthread_condattr_t * restrict attr, clockid_t * restrict clock_id); Устанавливает или возвращает атрибут clock атрибутного объекта условной переменной, заданного параметром attr . Атрибут clock представляет собой идентификатор часов, используемых для измерения лимита времени в функции pthread_cond_timedwait (). По умолчанию для атрибута clock используется идентификатор системных часов