Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

• Название: Системное программирование в среде Windows
• Автор: Джонсон Харт
• Издательство: Издательский дом "Вильямс"
• Жанр: Программирование
• Год: 2005
• ISBN: 5-8459-0879-5

Эта книга посвящена вопросам разработки приложений с использованием интерфейса прикладного программирования операционных систем компании Microsoft (Windows 9х, Windows XP, Windows 2000 и Windows Server 2003). Основное внимание уделяется базовым системным службам, включая управление файловой системой, процессами и потоками, взаимодействие между процессами, сетевое программирование и синхронизацию. Рассматривается методика переноса приложений, написанных в среде Win32, в среду Win64. Подробно описываются все аспекты системы безопасности Windows и ее практического применения. Изобилие реальных примеров, доступных также и на Web-сайте книги, существенно упрощает усвоение материала.

Книга ориентирована на разработчиков и программистов, как высокой квалификации, так и начинающих, а также будет полезна для студентов соответствующих специальностей.

---

Ожидание сообщений и объектов

Функция MsgWaitForMultipleObjects аналогична функции WaitForMultipleObjects. Применяйте ее для того, чтобы разрешить потоку или процессу обработку событий пользовательского интерфейса, таких как щелчки мышью, во время ожидания перехода объектов синхронизации в сигнальное состояние. 

Дополнительные рекомендации относительно использования мьютексов и объектов CRITICAL_SECTION

К этому времени мы успели познакомиться со всеми объектами синхронизации Windows и исследовали их применимость на ряде примеров. Мьютексы и объекты CS рассматривались первыми, а поскольку события мы еще будем интенсивно использовать в следующей главе, то настоящую главу целесообразно завершить рекомендациями относительно применения мьютексов и объектов CS для обеспечения корректности выполнения, удобства сопровождения и повышения производительности программ.

Приведенные ниже утверждения сформулированы, как правило, в терминах мьютексов, однако, если не оговорено иное, все сказанное относится и к объектам CS.

• Если функция WaitForSingleObject, одним из аргументов которой является дескриптор мьютекса, вызывается без использования конечного интервала ожидания, то вызывающий поток может оказаться блокированным на неопределенное время. Ответственность за то, чтобы захваченный (блокированный) мьютекс в конечном счете был освобожден (разблокирован), возлагается на программиста.

• Если поток завершает выполнение или его выполнение прерывается до того, как он покинет (разблокирует) объект CS, то этот объект остается блокированным. Чрезвычайно полезным свойством мьютексов является то, что владеющий ими поток может завершить выполнение, не уступив прав владения мьютексом.

• Не пытайтесь получить доступ к ресурсам, защищаемым мьютексом, если функция WaitForSingleObject вызвана с использованием конечного интервала ожидания.

• Ожидать перехода блокированного мьютекса в сигнальное состояние могут сразу несколько потоков. Когда мьютекс освобождается, то только один из ожидающих потоков получает права владения мьютексом и переводится в состояние готовности планировщиком ОС на основании действующей стратегии приоритетов и планирования. Не следует делать никаких предположений относительно того, что какой-либо поток будет пользоваться приоритетом; как и в любом другом случае, программу следует проектировать таким образом, чтобы приложение работало корректно независимо от того, какой именно из ожидающих потоков получит права владения мьютексом и возобновит выполнение. Те же замечания остаются справедливыми и в отношении потоков, ожидающих наступления события; никогда не следует предполагать, что при переходе объекта события в сигнальное состояние освободится какой-то определенный поток или что потоки будут разблокированы в какой-то определенной очередности.  

• К критическому участку кода относятся все операторы, расположенные между точками программы, в которых поток приобретает права владения мьютексом и уступает их. Для определения нескольких критических участков кода может быть использован один и тот же мьютекс. Корректная организация программы предполагает, что критический участок кода, определяемый мьютексом, в каждый момент времени может выполняться только одним потоком.

• Определяемая мьютексами степень детализации программы, или гранулярность мьютексов (mutex granularity), оказывает влияние на производительность и требует серьезного рассмотрения. Размер каждого критического участка кода ни в коем случае не должен превышать необходимой величины, и мьютекс не должен захватываться на более длительный промежуток времени, чем это необходимо. Использование критических участков кода чрезмерно большого размера, захватываемых на длительные промежутки времени, снижает параллелизм и может оказывать отрицательное влияние на производительность.

• Связывайте мьютекс непосредственно с ресурсом, защиту которого он должен обеспечивать, возможно, с использованием структуры данных. (Именно эта методика задействована в программах 8.1 и 8.2.)

• Максимально точно документируйте инвариант, используя для этого словесные описания либо логические, или булевские, выражения. Инвариант— это свойство защищаемого ресурса, сохранение которого неизменным вне критического участка кода вы гарантируете. Форма выражения инвариантов может быть самой различной: "элемент принадлежит обоим спискам или не принадлежит ни одному из них", "контрольная сумма данных в буфере является достоверной", "связанный список является действительным" или "0 <= nLost + nCons <= sequence". Точно сформулированные инварианты могут использоваться совместно с макросом ASSERT при отладке программ, хотя оператор ASSERT должен иметь собственный критический участок кода.

• Убедитесь в том, что каждый критический участок кода имеет только одну точку входа, в которой поток блокирует мьютекс, и только одну точку выхода, в которой поток освобождает мьютекс. Избегайте использования сложных операторов ветвления и таких операторов, как break, return или goto, предоставляющих возможность выхода за пределы критического участка кода. Для защиты от подобных рисков оказываются удобными обработчики завершения.

• Если требуемая логика работы программы приводит к чрезмерному разрастанию критического участка кода (скажем, его размер превышает одну страницу), попробуйте разместить этот код в отдельной функции, чтобы можно было легко понять схему синхронизации. Так, целесообразно выделить в отдельную функцию код, предназначенный для удаления узла из сбалансированного дерева поиска, пока дерево остается блокированным. 

Другие функции взаимоблокировки

Ранее уже было продемонстрировано, что функции InterlockedIncrement и InterlockedDecrement могут пригодиться в тех случаях, когда все, что требуется — это выполнение простейших операций над переменными, доступ к которым разделяется несколькими потоками. Используя некоторые другие функции, вы можете выполнять атомарные операции, позволяющие осуществлять сравнение и обмен значениями пар переменных.

Функции взаимоблокировки настолько же полезны, насколько и эффективны; эти функции реализуются в пользовательском пространстве с применением всего лишь нескольких машинных команд.

Функция InterlockedExchange сохраняет значение одной переменной в другой. 

LONG InterlockedExchange(LPLONG Target, LONG Value) 

Эта функция возвращает текущее значение переменной, на которую указывает параметр Target, и устанавливает значение этой переменной равным Value. Функция InterlockedExchangeAdd прибавляет второе значение к первому. 

LONG InterlockedExchangeAdd(PLONG Addend, LONG Increment) 

Значение Increment прибавляется к значению переменной, на которую указывает параметр Addend, а начальное значение этой переменной возвращается функцией. Данная функция позволяет увеличивать значение переменной на 2 (и более) атомарным образом, чего невозможно добиться последовательными вызовами функции InterlockedIncrement.

Последняя из функций этой группы, которую мы рассмотрим — это функция InterlockedCompareExchange, аналогичная функции InterlockedExchange, если не считать того, что обмен значениями осуществляется лишь в случае равенства сравниваемых значений. 

PVOID InterlockedCompareExchange(PVOID *Destination, PVOID Exchange, PVOID Comparand) 

Эта функция выполняет атомарным образом следующие действия (использование типа данных PVOID для двух последних параметров может казаться вам непонятным):

Temp = *Destination;

if (*Destination == Comparand) *Destination = Exchange;

return Temp;

Одним из вариантов применения этой функции является управление блокировкой с целью реализации критического участка кода. *Destination является переменной блокировки (lock variable), причем значению 1 соответствует разблокированное состояние, а значению 0 — блокированное. Значение Exchange задается равным 0, a Comparand — 1. Вызывающему потоку известно, что она владеет критическим участком, если функция возвращает 1. В противном случае вызывающий поток должен "уснуть", или выполнить ожидание в состоянии занятости ("spin"), то есть совершать в течение короткого промежутка времени цикл, в котором ничего не делается, с той только целью, чтобы выждать некоторое время, а затем вновь повторить попытку. По существу, именно такой цикл и выполняет функция EnterCriticalSection, ожидая перехода в сигнальное состояние объекта CRITICAL_SECTION с ненулевым значением спин-счетчика; для получения более подробной информации по этому вопросу обратитесь к главе 9.

Учет факторов производительности при организации управленияпамятью

Программа 9.1, приведенная в следующей главе, позволяет исследовать различные аспекты производительности в условиях, когда несколько потоков соревнуются между собой за право обладания разделяемыми ресурсами. Аналогичные эффекты будут наблюдаться и в случае, когда потоки привлекаются для управления памятью с использованием функций malloc и free из многопоточной стандартной библиотеки С, поскольку эти функции используют объекты CRITICAL_SECTION для синхронизации доступа к структуре данных кучи (вы можете в этом сами убедиться, просмотрев исходный код библиотеки С). Ниже описаны два возможных способа улучшения производительности.