13.2.1. Синхронизация с помощью критических секций

Простейший способ синхронизации дают критические секции. Когда поток входит в критическую секцию программы, гарантируется, что никакой другой поток не войдет в нее, пока первый не выйдет.

Если акцессору Thread.critical присвоить значение true, то выполнение других потоков не будет планироваться. В следующем примере мы переработали код предыдущего, воспользовавшись акцессором critical для определения критической области, которая защищает уязвимые участки программы.

x = 0

t1 = Thread.new do

 1.upto(1000) do

  Thread.critical = true

  x = x + 1

  Thread.critical = false

 end

end

t2 = Thread.new do

 1.upto(1000) do

  Thread.critical = true

  x = x + 1

  Thread.critical = false

 end

end

t1.join

t2.join

puts x

Теперь последовательность выполнения изменилась; взгляните, в каком порядке работают потоки t1 и t2. (Конечно, вне того участка, где происходит увеличение переменной, потоки могут чередоваться более-менее случайным образом.)

t1                            t2

----------------------------- -----------------------------

Прочитать значение x (123)

Увеличить значение на 1 (124)

Записать результат в x

                              Прочитать значение x (124)

                              Увеличить значение на 1 (125)

                              Записать результат в x

Возможны такие комбинации операций с потоками, при которых поток планируется даже тогда, когда какой-то другой поток находится в критической секции.

Простейший случай — вновь созданный поток начинает исполнение немедленно вне зависимости от того, занимает какой-то другой поток критическую секцию или нет. Поэтому описанную технику лучше применять только в самых простых ситуациях.

13.2.2. Синхронизация доступа к ресурсам (mutex.Rb)

В качестве примера рассмотрим задачу индексирования Web-сайтов. Мы извлекаем слова из многочисленных страниц в Сети и сохраняем их в хэше. Ключом является само слово, а значением — строка, идентифицирующая документ и номер строки в этом документе.

Постановка задачи и так достаточно груба. Но мы огрубим ее еще больше, введя следующие упрощающие допущения:

• будем представлять удаленные документы в виде строк;

• ограничимся всего тремя строками (они будут «зашиты» в код);

• сетевые задержки будем моделировать «засыпанием» на случайный промежуток времени.

Взгляните на программу в листинге 13.1. Она даже не печатает получаемые данные целиком, а выводит лишь счетчик слов (не уникальный). Каждый раз при чтении или обновлении хэша мы вызываем метод hesitate, который приостанавливает поток на случайное время. Тем самым поведение программы становится недетерминированным и приближенным к реальности.

Листинг 13.1. Программа индексирования с ошибками (гонка)

@list = []

@list[0]="shoes ships\nsealing-wax"

@list[1]="cabbages kings"

@list[2]="quarks\nships\ncabbages"

def hesitate

 sleep rand(0)

end

@hash = {}

def process_list(listnum)

 lnum = 0

 @list[listnum].each do |line|

  words = line.chomp.split

  words.each do |w|

   hesitate

   if @hash[w]

    hesitate

    @hash[w] += ["#{listnum}:#{lnum}"]

   else

    hesitate

    @hash[w] = ["#{listnum}:#{lnum}"]

   end

  end

  lnum += 1

 end

end

t1 = Thread.new(0) {|num| process_list(num) }

t2 = Thread.new(1) {|num| process_list(num) }

t3 = Thread.new(2) {|num| process_list(num) }

t1.join

t2.join

t3.join

count = 0

@hash.values.each {|v| count += v.size }

puts "Всего слов: #{count} " # Может быть напечатано 7 или 8!

Здесь имеется проблема. Если ваша система ведет себя примерно так же, как наша, то программа может напечатать одно из двух значений! В наших тестах с одинаковой вероятностью печаталось 7 или 8. Если слов и списков больше, то и разброс окажется более широким.

Попробуем исправить положение с помощью мьютекса, который будет контролировать доступ к разделяемому ресурсу. (Слово «mutex» — это сокращение от mutual exclusion, «взаимная блокировка».)

Обратимся к листингу 13.2. Библиотека Mutex позволяет создавать мьютексы и манипулировать ими. Мы можем захватить (lock) мьютекс перед доступом к хэшу и освободить (unlock) его по завершении операции.