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.

---

Модель переменных условий

А теперь давайте объединим все это в едином фрагменте кода, представляющем то, что мы будем называть моделью переменных условий (condition variable model, CV model), которая может существовать в виде сигнальной (signal) и широковещательной (broadcast) моделей. В первых примерах будет использована широковещательная модель. Результат представляет собой программную модель, с которой мы будем работать еще не один раз, и которая может быть использована для решения широкого круга задач синхронизации. Для удобства изложения примеры сформулированы в терминах задачи производителя и потребителя.

Обсуждение может показаться вам несколько абстрактным, однако, поняв суть методики, вы сможете решать многие задачи синхронизации, справиться с которыми без наличия хорошей модели было бы очень трудно.

В упомянутом фрагменте кода имеется несколько ключевых элементов.

• Структура данных типа STATE_TYPE, в которой содержатся все данные, или переменные состояний (state variables), такие как сообщения, контрольные суммы и счетчики, используемые в программе 8.2.

• Мьютекс и одно или более событий, связанных с этой структурой данных и обычно входящих в ее состав.

• Одна или несколько булевых функций, предназначенных для вычисления предикатов переменных условий (condition variable predicates), представляющих собой условия (состояния), наступления которых может ожидать поток. Например, в качестве предикатов могут использоваться следующие условия: "готово новое сообщение", "имеется свободное место в буфере", "очередь не пуста". Можно связывать с каждым предикатом переменной условия отдельное событие, но возможно также использование одного события для представления изменения состояния или же для представления комбинации нескольких предикатов (получаемой посредством применения операции логического "или"). В последнем случае для определения фактического состояния должны проверяться возвращаемые значения отдельных предикативных функций при блокированном мьютексе. Если предикат (логическое выражение) является простым, необходимость в использовании отдельной функции отпадает.

Эти принципы используются потоками производителя и потребителя в приведенном ниже фрагменте кода, включающем единственное событие и предикат переменной условия (реализованный с помощью функции cvp, которая здесь не представлена). В данном примере принимается, что если поток производителя сигнализирует о достижении требуемого состояния, то должны быть освобождены сразу несколько потоков, откуда следует, что сигнал должен рассылаться всем ожидающим потокам потребителя. Так, сигналом, соответствующим созданию потоком производителя нескольких сообщений, может служить увеличение значения счетчика сообщений. Во многих случаях вам может требоваться освобождение только одного потока, что обсуждается после приведенного ниже фрагмента кода. 

Этот код ориентирован на работу под управлением Windows 9x и всех версий Windows NT. Для упрощения решения впоследствии в нем будет использована функция SignalObjectAndWait.

Примечание и предостережение

В данном примере намеренно и вполне осознанно используется функция PulseEvent, хотя некоторые авторы, а кое-где и документация Microsoft (см. замечания в соответствующем разделе MSDN), этого делать не рекомендуют. Причины нашего выбора будут ясны из последующего обсуждения и подкреплены примерами, а читателю предлагается решить (корректно) эту задачу, используя функцию SetEvent.

typedef struct _state_t {

 HANDLE Guard; /* Мьютекс, защищающий объект. */

 HANDLE CvpSet; /* Вручную сбрасываемое событие — выполняется условие, определяемое предикатом cvp(). */

 … другие переменные условий …

 /* Структура состояния, содержащая счетчики, контрольные суммы и прочее. */

 struct STATE_VAR_TYPE StateVar;

 } STATE_TYPE State;

…

/* Инициализировать состояние, создавая мьютекс и событие. */

…

/* Поток ПРОИЗВОДИТЕЛЯ, который изменяет состояние. */

WaitForSingleObject(State.Guard, INFINITE);

/* Изменить состояние таким образом, чтобы выполнялось условие, */

/* определяемое предикатом CV. */

/* Пример: к данному моменту подготовлено одно или несколько сообщений.*/

State.StateVar.MsgCount += N;

PulseEvent(State.CvpSet);

ReleaseMutex(State.Guard);

/* Конец интересующей нас части кода потока производителя. */

…

/* Ожидание определенного состояния функцией потока ПОТРЕБИТЕЛЯ. */

WaitForSingleObject(State.Guard, INFINITE);

while (!cvp(&State)) {

 ReleaseMutex(State.Guard);

 WaitForSingleObject(State.CvpSet, TimeOut);

 WaitForSingleObject(State.Guard, INFINITE);

}

/* Теперь этот поток владеет мьютексом, и выполняется условие, */

/* определяемое предикатом cvp(&State). */

/* Предпринять соответствующее действие, возможно, изменяя состояние.*/

…

ReleaseMutex(State.Guard);

/* Конец интересующей нас части кода потока потребителя. */ 

Комментарии по поводу модели переменных условий

В приведенном выше фрагменте кода очень важная роль принадлежит циклу в той части кода, которая соответствует потребителю. Этот цикл включает три операции: 1) освобождение мьютекса, заблокированного до входа в цикл; 2) ожидание события; 3) повторное блокирование мьютекса. Как будет показано далее, использование конечного интервала ожидания события является весьма существенным.

Потоки Pthreads в том виде, в каком они реализованы во многих системах UNIX и других системах, сочетают эти три операции в одной функции — pthread_cond_wait, объединяющей мьютекс и переменную условия (которая аналогична, но не идентична событиям Windows). Именно поэтому и используется термин модель переменных условий. Существует также версия этой функции, допускающая использование конечных интервалов ожидания событий.

Что немаловажно, в Pthreads первые две операции (освобождение мьютекса и ожидание события) реализуются посредством вызова одной функции как одна атомарная операция, так что никакой другой поток не сможет вклиниться раньше, чем начнется выполнения вызывающим потоком функции ожидания наступления события (или выполнения условия).

Проектировщики Pthreads сделали мудрый выбор: единственный способ организовать ожидания выполнения условия, определенного для переменной условия, — это использование одной из двух указанных выше функций (с конечным и неопределенным интервалами ожидания), так что переменная условия должна всегда использоваться вместе с мьютексом. Windows вынуждает вас использовать для этой цели два или три отдельных вызова функций, и вы сами должны проследить за тем, чтобы все было сделано правильно, иначе вам не избежать проблем.

Помимо того, что это упрощает разработку программ и является существенно необходимым в случае использования потоков Pthreads, есть еще одна причина, по которой следует изучать модель CV, заключающаяся в том, что именно эта модель используется рядом сторонних производителей для реализации классов потоков и объектов синхронизации, не зависящих от ОС. Владея изложенным в этой книге материалом, вы сможете очень быстро разобраться в особенностях этих реализаций.

Примечание

В версии Windows NT 4.0 была введена новая функция — SignalObjectAndWait (SOAW), которая выполняет упомянутые два шага атомарным образом. В дальнейших примерах программ предполагается, что эта функция доступна, и она будет использоваться, а это означает, что под управлением Windows 9x такие программы выполняться не смогут. Тем не менее, на стадии ознакомления с моделью CV функция SOAW не применяется, чтобы сделать более понятной мотивировку необходимости ее использования впоследствии, а на Web-сайте книги приведены альтернативные варианты реализации некоторых примеров, в которых вместо мьютексов используются объекты CS. (Функцию SOAW нельзя применять вместе с объектами CS.) О значительных преимуществах функции SignalObjectAndWait в отношении производительности свидетельствуют данные, представленные в приложении В (табл. В.5). 

Использование модели переменных условий

Модель переменных условий при правильной ее реализации работает следующим образом:

• Поток производителя блокирует мьютекс, изменяет состояние, применяет к событию функцию PulseEvent, когда это необходимо, и разблокирует мьютекс. Например, функция PulseEvent может вызываться в случае готовности одного или нескольких сообщений.

• Функция PulseEvent должна применяться к событию при блокированном мьютексе, чтобы никакой другой поток не мог изменить объект, что могло бы сделать недействительным условие, определенное предикатом.