15. Семафоры

Объекты ядра «семафор» используются для учета ресурсов. Как и все объекты ядра, они содержат счетчик числа пользователей, но, кроме того, поддерживают два 32 битных значения со знаком: одно определяет максимальное число ресурсов (контролируемое семафором), другое используется как счетчик текущего числа ресурсов.

Попробуем разобраться, зачем нужны все эти счетчики, и для примера рассмотрим программу, которая могла бы использовать семафоры. Допустим, необходимо разработать серверный процесс, в адресном пространстве которого выделяется буфер для хранения клиентских запросов. Размер этого буфера «зашит» в код программы и рассчитан на хранение максимум пяти клиентских запросов. Если новый клиент пытается связаться с сервером, когда эти пять запросов еще не обработаны, генерируется ошибка, которая сообщает клиенту, что сервер занят и нужно повторить попытку позже. При инициализации серверный процесс создает пул из пяти потоков, каждый из которых готов обрабатывать клиентские запросы по мере их поступления.

Изначально, когда запросов от клиентов еще нет, сервер не разрешает выделять процессорное время каким-либо потокам в пуле. Но как только серверу поступает, скажем, три клиентских запроса одновременно, три потока в пуле становятся планируемыми, и система начинает выделять им процессорное время Для слежения за ресурсами и планированием потоков семафор очень удобен. Максимальное число ресурсов задается равным пяти, что соответствует размеру буфера. Счетчик текущего числа ресурсов первоначально получает нулевое значение, так как клиенты еще не выдали ни одного запроса. Этот счетчик увеличивается на единицу в момент приема очередного клиентского запроса и на столько же уменьшается, когда запрос передается на обработку одному из серверных потоков в пуле.

Для семафоров определены следующие правила:

• когда счетчик текущего числа ресурсов становится больше нуля, семафор переходит в свободное состояние,

• если этот счетчик равен нулю, семафор занят,

• система не допускает присвоения отрицательных значений счетчику текущего числа ресурсов;

• счетчик текущего числа ресурсов не может быть больше максимального числа ресурсов

Не путайте счетчик текущего числа ресурсов со счетчиком числа пользователей объекта-семафора.

Объект ядра «семафор» создается вызовом CreateSemaphore

HANDLE CreateSemaphore(PSECURITY_ATTRIBUTE psa, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, PCTRTR pszName)

Любой процесс может получить свой («процессо-зависимый») описатель существующего объекта «семафор», вызвав OpenSemaphore

HANDLE OpenSemaphore( DWORD fdwAccess, BOOL bInhentHandle, PCTSTR pszName);

Параметр lMaximumCount сообщает системе максимальное число ресурсов, обрабатываемое приложением. Поскольку это 32-битное значение со знаком, пре дельное число ресурсов может достигать 2 147 483 647. Параметр lInitiа1Соипt указывает, сколько из этих ресурсов доступно изначально (на данный момент). При инициализации серверного процесса клиентских запросов нет, поэтому вызов CreateSemaphore выглядит так:

HANDLE hSem = CreateSemaphore(NULL, 0, 5, NULL);

Это приводит к созданию семафора со счетчиком максимального числа ресурсов равным 5, при этом изначально ни один ресурс не доступен. (Кстати, счетчик числа пользователей данного объекта ядра равен 1, так как я только что создал этот объект, не запутайтесь в счетчиках). Поскольку счетчику текущего числа ресурсов присвоен 0, семафор находится в занятом состоянии. А это значит, что любой поток, ждущий семафор, просто засыпает.

Поток получает доступ к ресурсу, вызывая одну из Wait-функций и передавая ей описатель семафора, который охраняет этот ресурс. Wait-функция проверяет у семафора счетчик текущего числа ресурсов если его значение больше 0 (семафор свободен), уменьшает значение этого счетчика на 1, и вызывающий поток остается планируемым Очень важно, что семафоры выполняют эту операцию проверки и присвоения на уровне атомарного доступа; иначе говоря, когда у семафора запрашивается какой-либо ресурс, операционная система проверяет, доступен ли этот ресурс, и, если да, уменьшает счетчик текущего числа ресурсов, не позволяя вмешиваться в эту операцию другому потоку. Только после того как счетчик ресурсов будет уменьшен на 1, доступ к ресурсу сможет запросить другой поток.

Если Wait-функция определяет, что счетчик текущего числа ресурсов равен 0 (семафор занят), система переводит вызывающий поток в состояние ожидания Когда другой поток увеличит значение этого счетчика, система вспомнит о ждущем потоке и снова начнет выделять ему процессорное время (а он, захватив ресурс, уменьшит значение счетчика на 1).

Поток увеличивает значение счетчика текущего числа ресурсов, вызывая функцию ReleaseSemaphore:

BOOL ReleaseSemaphore( HANDLE hSem, LONG lReleaseCount, PLONG plPreviousCount);

Она просто складывает величину lReleaseCount со значением счетчика текущего числа ресурсов. Обычно в параметре lReleaseCount передают 1, но это вовсе не обязательно: можно передавать в нем значения, равные или большие 2. Функция возвращает исходное значение счетчика ресурсов в *plPreviousCount. Если не интересует это значение (а в большинстве программ так оно и есть), в параметре plPreviousCount передается значение NULL.

Было бы удобнее определять состояние счетчика текущего числа ресурсов, не меняя его значение, но такой функции в Windows нет. Получить значение этого счетчика, не изменив его, невозможно.