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.

---

• Для ограничения количества готовых к выполнению рабочих потоков без изменения базовой программной модели можно использовать семафоры. Эта методика рассматривается далее в этой главе.

Предупреждение

В массиве task_count намеренно использованы 32-битовые целые числа, чтобы увеличить верхний предел значений счетчика заданий и избежать создания предпосылок для возникновения "разрыва слов" ("word tearing") и "конфликтов строки кэша" ("cache line conflict") в SMP-системах. Два независимых процессора, на которых выполняются смежные рабочие потоки, могут одновременно изменять значения счетчиков смежных заданий путем внесения соответствующих изменений в свои кэши (32-битовые в системах на основе Intel x86). Вместе с тем, реально записываться в память будет только один кэш, что может сделать результаты недействительными. Чтобы избежать возможных рисков, следует позаботиться об отделении рабочих ячеек каждым из потоков друг от друга и их выравнивании в соответствии с размерами кэшей. В данном примере счетчик заданий может быть сгруппирован с аргументом потока, так что использованию 32-битовых счетчиков ничто не препятствует. Эта тема исследуется в упражнении 9.6. 

Модельная программа для исследования факторов производительности

На Web-сайте книги находится проект TimedMutualExclusion, который вы можете использовать для проведения собственных экспериментов с различными моделями "хозяин/рабочий" и характеристиками прикладных приложений. Ниже приводится перечень возможностей этой программы, которыми можно управлять из командной строки.

• Использование объектов CS или мьютексов.

• Глубина, или рекурсивность, счетчиков.

• Время удержания блокировки, или задержка (delay), которое моделирует объем работы, выполненной в пределах критического участка кода.

• Количество рабочих потоков, ограниченное системными ресурсами.

• Количество точек "засыпания" (sleep points), в которых рабочий поток уступает процессор, используя вызов Sleep(0), но продолжает владеть блокировкой. Точки "засыпания" моделируют ожидание рабочим потоком операций ввода/вывода или событий, тогда как задержка моделирует активность ЦП.

• Количество активных потоков, о чем говорится в разделе, посвященном дросселированию семафоров.

Регулируя параметры задержек и точек "засыпания", можно оказывать заметное воздействие на производительность, поскольку от этих параметров зависит доля времени, в течение которого поток владеет блокировкой, не давая выполняться другим потокам.

В листинг программы включены детальные комментарии, объясняющие порядок запуска программы и настройки параметров. В упражнении 9.1 вам предлагается провести самостоятельные эксперименты с использованием как можно большего количества различных систем, к которым у вас имеется доступ. Видоизмененный вариант этой программы под названием MutualExclusionSC поддерживает спин-счетчики, о которых говорится в следующем разделе.

Примечание

Программа TimedMutualExclusion представляет простую модель, способную отражать многие из особенностей рабочих потоков. Во многих случаях ее можно настроить так, чтобы она представляла реальное приложение, и если эта модель позволяет выявить определенные проблемы, связанные с ухудшением производительности, то не исключено, что с аналогичными трудностями вы столкнетесь и в случае реального приложения. С другой стороны, хорошие эксплуатационные показатели модели вовсе не обязательно означают, что такими же качествами будет обладать и реальное приложение, хотя хорошая исходная модель и способна упростить настройку его производительности.

Настройка производительности SMP-систем с помощью спин-счетчиков

Эффективность методики блокирования (вхождение в раздел) и разблокирования (выход из раздела) объекта CRITICAL_SECTION объясняется тем, что тестирование объекта CS выполняется в пользовательском пространстве без использования системных вызовов ядра, как это требуется в случае мьютексов. Снятие блокировки раздела также выполняется полностью в пространстве пользователя, в отличие от функции ReleaseMutex, которая требует использования системного вызова. Объекты CS работают следующим образом:

• Поток, выполняющий функцию EnterCriticalSection (ECS), непрерывно тестирует бит блокировки объекта CS. Если обнаруживается, что бит выключен (объект разблокирован), ECS автоматически устанавливает его, выполняя эту операцию как часть инструкций тестирования, и продолжает дальнейшее выполнение уже без какого-либо ожидания. Поэтому блокирование разблокированного объекта CS осуществляется чрезвычайно эффективным образом и требует, как правило, всего лишь одной или двух машинных команд. Идентификационные данные владеющего потока, а также рекурсивный счетчик поддерживаются структурой данных объекта CS.

• Если обнаруживается, что объект CS блокирован, ECS входит в жесткий цикл (tight loop) на SMP-системах и выполняет многократное тестирование бита блокировки, не уступая процессора (разумеется, поток может быть вытеснен). Количество повторений цикла, после выполнения которых ECS прекращает дальнейшее тестирование, определяется значением спин-счетчика CS. В однопроцессорных системах тестирование прекращается немедленно; спин-счетчики используются лишь в случае SMP-систем.

• Как только ECS прекращает тестирование бита блокировки (в случае однопроцессорных систем это происходит немедленно), она входит в ядро, и поток переводится в состояние ожидания. Следовательно, блокирование объектов CS оказывается эффективным лишь в условиях низкой состязательности между потоками или когда спин-счетчик предоставляет другому процессору время для разблокирования CS.

• Функция LeaveCriticalSectibn реализуется путем выключения бита блокировки после проверки того, что вызывающий поток действительно является владельцем CS. Кроме того, ядро должно быть также уведомлено о том, существуют ли еще другие ожидающие потоки, для чего используется функции ReleaseSemaphore.

Таким образом, в случае однопроцессорных систем объекты CS эффективны тогда, когда высока вероятность их разблокирования, что иллюстрирует вариант CS программы 9.1. Преимущества SMP-систем обусловлены тем фактом, что пока ожидающий поток выполняет цикл ожидания, управляемый спин-счетчиком, объект CS может оказаться разблокированным потоком, выполняющимся на другом процессоре.

Далее будет показано, как устанавливать значения спин-счетчиков и настраивать приложения путем выбора наиболее оптимальных значений. Еще раз подчеркнем, что спин-счетчики оказываются полезными лишь в случае SMP-систем; на однопроцессорных системах они не используются.

Установка значений спин-счетчиков

Спин-счетчики CS могут устанавливаться на стадии инициализации объектов CS или динамическим путем. В первом случае функция InitializeCriticalSection заменяется функцией InitializeCriticalSectionAndSpinCount, в которой добавлен параметр счетчика. В то же время, способа, позволяющего считать значение спин-счетчика, не существует.

VOID InitializeCriticalSectionAndSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwCount) 

Значение спин-счетчика можно в любой момент изменить. 

VOID SetCriticalSectionSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwCount) 

В документации Microsoft говорится о том, что рекомендуемым для управления кучей значением спин-счетчика является 4000. Однако оптимальное значение зависит от свойств приложения, и поэтому спин-счетчики должны настраиваться индивидуально для каждого приложения, выполняющегося в реалистическом SMP-окружении. Наилучшее значение будет различным в зависимости от количества процессоров, характера приложения и тому подобного.

На Web-сайте книги находится программа TimedMutualExclusionSC. Эта программа представляет собой видоизмененный вариант уже знакомой вам программы TimedMutualExclusion, в котором значение спин-счетчика указания в качестве параметра командной строки. Вы можете запустить эту программу на своей машине для приблизительной оценки того, какое значение спин-счетчика будет наиболее приемлемым для выполнения того или иного из вариантов тестовых программ на доступных вам SMP-системах, что и предлагается сделать в упражнении 9.2. 

Дросселирование семафора для уменьшения состязательности между потоками

Слишком большое количество потоков, соревнующихся между собой за право владения единственным ресурсом, например, мьютексом или объектом CS, могут стать причиной снижения производительности как в однопроцессорных, так и в многопроцессорных системах. В большинстве случаев негативное влияние некоторых факторов на производительность может быть сведено к минимуму за счет использования спин-счетчиков, тщательного выбора типа объектов синхронизации или перестройки структуры программы с целью увеличения степени детализации блокировок и длительности периодов блокирования.