12. Синхронизация с потоков с помощью объектов ядра
Синхронизация потоков с применением механизмов, позволяющих потокам оставаться в пользовательском режиме, работает очень быстро. Поэтому, если Вы озабочены быстродействием потока, сначала проверьте, нельзя ли обойтись синхронизацией в пользовательском режиме.
Хотя механизмы синхронизации в пользовательском режиме обеспечивают высокое быстродействие, им свойствен ряд ограничений, и во многих приложениях они просто не будут работать. Например, Intertocked-функции оперируют только с отдельными переменными и никогда не переводят поток в состояние ожидания Последнюю задачу можно решить с помощью критических секций, но они подходят лишь в тех случаях, когда требуется синхронизировать потоки в рамках одного процесса. Кроме того, при использовании критических секций легко попасть в ситуацию взаимной блокировки потоков, потому что задать предельное время ожидания входа в критическую секцию нельзя.
Рассмотрим, как синхронизировать потоки с помощью объектов ядра. Такие объекты предоставляют куда больше возможностей, чем механизмы синхронизации в пользовательском режиме. В сущности, единственный их недостаток — меньшее быстродействие.
В случае синхронизации потоков, о каждом из объектов ядра говорят, что он находится либо в свободном (signaled state), либо в занятом состоянии (nonsignaled state). Переход из одного состояния в другое осуществляется по правилам, определенным Microsoft для каждого из объектов ядра. Так, объекты ядра «процесс» сразу после создания всегда находятся в занятом состоянии. В момент завершения процесса операционная система автоматически освобождает его объект ядра "процесс", и он навсегда остается в этом состоянии.
Объект ядра «процесс» пребывает в занятом состоянии, пока выполняется сопоставленный с ним процесс, и переходит в свободное состояние, когда процесс завершается. Внутри этого объекта поддерживается булева переменная, которая при создании объекта инициализируется как FALSE («занят»). По окончании работы процесса операционная система меняет значение этой переменной на TRUE, сообщая тем самым, что объект свободен.
Если пишется код, проверяющий, выполняется ли процесс в данный момент, необходимо лишь вызвать функцию, которая просит операционную систему проверить значение булевой переменной, принадлежащей объекту ядра «процесс». Тут нет ни чего сложного. Также можно сообщить системе, чтобы та перевела поток в состояние ожидания и автоматически пробудила его при изменении значения булевой переменной с FALSE на TRUE. Тогда появляется возможность заставить поток в родительском процессе, ожидающий завершения дочернего процесса, просто заснуть до освобождения объекта ядра, идентифицирующего дочерний процесс. В Windows есть ряд функций, позволяющих легко решать эту задачу.
Точно такие же правила распространяются и на объекты ядра «поток». Они тоже сразу после создания находятся в занятом состоянии. Когда поток завершается, операционная система автоматически переводит объект ядра «поток» в свободное состояние. Таким образом, используя те же приемы, можно определить, выполняется ли в данный момент тот или иной поток. Как и объект ядра «процесс», объект ядра «поток» никогда не возвращается в занятое состояние.
Следующие объекты ядра бывают в свободном или занятом состоянии:
процессы
потоки
задания
файлы
консольный ввод
уведомления об изменении файлов
события
ожидаемые таймеры
семафоры
мьютексы
Потоки могут засыпать и в таком состоянии ждать освобождения какого-либо объекта. Правила, по которым объект переходит в свободное или занятое состояние, зависят от типа этого объекта.
При рассмотрении понятия «свободен-занят» поступают по аналогии с обыкновенным флажком. Когда объект свободен, флажок поднят, а когда он занят, флажок опущен.
Рисунок 12.1. Свободное и занятое состояние объектов
Потоки спят, пока ожидаемые ими объекты заняты (флажок опущен). Как только объект освободился (флажок поднят), спящий поток замечает это, просыпается и возобновляет выполнение.
Рисунок 12.2. Спящий и выполняющийся потоки