Иногда при работе с несколькими потоками или процессами появляется необходимость синхронизировать выполнение двух или более из них. Причина этого чаще всего заключается в том, что два или более потоков могут требовать доступ к разделяемому ресурсу, которыйреально не может быть предоставлен сразу нескольким потокам. Разделяемым называется ресурс, доступ к которому могут одновременно получать несколько выполняющихся задач.

Механизм, обеспечивающий процесс синхронизации, называется ограничением доступа. Необходимость в нем возникает также в тех случаях, когда один поток ожидает события, генерируемого другим потоком. Естественно, должен существовать какой-то способ, с помощью которого первой поток будет приостановлен до совершения события. После этого поток должен продолжить свое выполнение.

Имеется два общих состояния, в которых может находиться задача. Во-первых, задача может выполняться (или быть готовой к выполнению, как только получит доступ к ресурсам процессора). Во-вторых, задача может бытьблокирована. В этом случае ее выполнение приостановлено до тех пор, пока не освободится нужный ей ресурс или не произойдет определенное событие.

В Windows имеется специальные сервисы, которые позволяют определенным образом ограничить доступ к разделяемым ресурсам, ведь без помощи операционной системы отдельный процесс или поток не может сам определить, имеет ли он единоличный доступ к ресурсу. Операционная система Windows содержит процедуру, которая в течении одной непрерывной операции проверяет и, если это возможно, устанавливает флаг доступа к ресурсу. На языке разработчиков операционной системы такая операция называется операцией проверки и установки . Флаги, используемые для обеспечения синхронизации и управления доступом к ресурсам, называютсясемафорами (semaphore) . Интерфейс Win32 API обеспечивает поддержку семафоров и других объектов синхронизации. Библиотека MFC также включает поддержку данных объектов.

Объекты синхронизации и классы mfc

Интерфейс Win32 поддерживает четыре типа объектов синхронизации - все они так или иначе основаны на понятии семафора.

Первым типом объектов является собственно семафор, или классический (стандартный) семафор . Он позволяет ограниченному числу процессов и потоков обращаться к одному ресурсу. При этом доступ к ресурсу либо полностью ограничен (один и только один поток или процесс может обратиться к ресурсу в определенный период времени), либо одновременный доступ получает лишь малое количество потоков и процессов. Семафоры реализуются с помощью счетчика, значение которого уменьшается, когда задаче выделяется семафор, то увеличивается, когда задача освобождает семафор.

Вторым типом объектов синхронизации является исключающий (mutex) семафор . Он предназначен для полного ограничения доступа к ресурсу, чтобы в любой момент времени к ресурсу мог обратиться только один процесс или поток. Фактически, это особая разновидность семафора.

Третьим типом объектов синхронизации является событие , илиобъект события (event object). Он используется для блокирования доступа к ресурсу до тех пор, пока какой-нибудь другой процесс или поток не заявит о том, что данный ресурс может быть использован. Таким образом, данный объект сигнализирует о выполнении требуемого события.

При помощи объекта синхронизации четвертого типа можно запрещать выполнения определенных участков кода программы несколькими потоками одновременно. Для этого данные участки должны быть объявлены как критический раздел (critical section) . Когда в этот раздел входит один поток, другим потокам запрещается делать тоже самое до тех пор, пока первый поток не выйдет из данного раздела.

Критические разделы, в отличие от других типов объектов синхронизации, применяются только для синхронизации потоков внутри одного процесса. Другие же типы объектов могут быть использованы для синхронизации потоков внутри процесса или для синхронизации процессов.

В MFC механизм синхронизации, обеспечиваемый интерфейсом Win32 , поддерживается с помощью следующих классов, порожденных от класса CSyncObject:

CCriticalSection - реализует критический раздел.

CEvent - реализует объект события

CMutex - реализует исключающий семафор.

CSemaphore - реализует классический семафор.

Кроме этих классов в MFC определены также два вспомогательных класса синхронизации: CSingleLock иCMultiLock . Они контролируют доступ к объекту синхронизации и содержат методы, используемы для предоставления и освобождения таких объектов. КлассCSingleLock управляет доступом к одному объекту синхронизации, а классCMultiLock - к нескольким объектам. Далее будем рассматривать только классCSingleLock .

Когда какой-либо объект синхронизации создан, доступ к нему можно контролировать с помощью класса CSingleLock . Для этого необходимо сначала создать объект типаCSingleLock с помощью конструктора:

CSingleLock (CSyncObject* pObject, BOOL bInitialLock = FALSE);

Через первый параметр передается указатель на объект синхронизации, например семафор. Значение второго параметра определяет, должен ли конструктор попытаться получить доступ к данному объекту. Если этот параметр не равен нулю, то доступ будет получен, в противном случае попыток получить доступ не будет. Если доступ получен, то поток, создавший объект класса CSingleLock , будет остановлен до освобождения соответствующего объекта синхронизации методомUnlock классаCSingleLock .

Когда объект типа CSingleLock создан, доступ к объекту, на который указывал параметр pObject , может контролироваться с помощью двух функций: Lock иUnlock классаCSingleLock .

Метод Lock предназначен для получения доступа к объекту к объекту синхронизации. Вызвавший его поток приостанавливается до завершения данного метода, то есть до тех пор, пока не будет получен доступ к ресурсу. Значение параметра определяет, как долго функция будет ожидать получения доступа к требуемому объекту. Каждый раз при успешном завершении метода значение счетчика, связанного с объектом синхронизации, уменьшается на единицу.

Метод Unlock освобождает объект синхронизации, давая возможность другим потокам использовать ресурс. В первом варианте метода значение счетчика, связанного с данным объектом, увеличивается на единицу. Во втором варианте первый параметр определяет, на сколько это значение должно быть увеличено. Второй параметр указывает на переменную, в которую будет записано предыдущее значение счетчика.

При работе с классом CSingleLock общая процедура управления доступом к ресурсу такова:

создать объект типа CSyncObj (например, семафор), который будет использоваться для управления доступом к ресурсу;

с помощью созданного объекта синхронизации создать объект типа CSingleLock;

для получения доступа к ресурсу вызвать метод Lock;

выполнить обращение к ресурсу;

вызвать метод Unlock , чтобы освободить ресурс.

Далее описывается, как создавать и использовать семафоры и объекты событий. Разобравшись с этими понятиями, можно достаточно просто изучить и использовать два других типа объектов снхронизации: критические секции и мьютексы.

Лекция № 9. Синхронизация процессов и потоков

1. Цели и средства синхронизации.

2. Механизмы синхронизации.

1.Цели и средства синхронизации

Существует достаточно обширный класс средств операционной системы, с по­мощью которых обеспечивается взаимная синхронизация процессов и потоков. Потребность в синхронизации потоков возникает только в мультипрограммной операционной системе и связана с совместным использованием аппаратных и информационных ресурсов вычислительной системы. Синхронизация необходи­ма для исключения гонок и тупиков при обмене данными между потоками, раз­делении данных, при доступе к процессору и устройствам ввода-вывода.

Во многих операционных системах эти средства называются средствами межпро­цессного взаимодействия - Inter Process Communications (IPC), что отражает историческую первичность понятия «процесс» по отношению к понятию «поток». Обычно к средствам IPC относят не только средства межпроцессной синхрони­зации, но и средства межпроцессного обмена данными.

Выполнение потока в мультипрограммной среде всегда имеет асинхронный ха­рактер. Очень сложно с полной определенностью сказать, на каком этапе выпол­нения будет находиться процесс в определенный момент времени. Даже в однопрограммном режиме не всегда можно точно оценить время выполнения задачи. Это время во многих случаях существенно зависит от значения исходных дан­ных, которые влияют на количество циклов, направления разветвления програм­мы, время выполнения операций ввода-вывода и т. п. Так как исходные данные в разные моменты запуска задачи могут быть разными, то и время выполнения от­дельных этапов и задачи в целом является весьма неопределенной величиной.

Еще более неопределенным является время выполнения программы в мульти­программной системе. Моменты прерывания потоков, время нахождения их в очередях к разделяемым ресурсам, порядок выбора потоков для выполнения - все эти события являются результатом стечения многих обстоятельств и могут быть интерпретированы как случайные. В лучшем случае можно оценить веро­ятностные характеристики вычислительного процесса, например вероятность его завершения за данный период времени.

Таким образом, потоки в общем случае (когда программист не предпринял спе­циальных мер по их синхронизации) протекают независимо, асинхронно друг другу. Это справедливо как по отношению к потокам одного процесса, выпол­няющим общий программный код, так и по отношению к потокам разных про­цессов, каждый из которых выполняет собственную программу.

Любое взаимодействие процессов или потоков связано с их синхронизацией, ко­торая заключается в согласовании их скоростей путем приостановки потока до наступления некоторого события и последующей его активизации при наступ­лении этого события. Синхронизация лежит в основе любого взаимодействия потоков, связано ли это взаимодействие с разделением ресурсов или с обменом данными. Например, поток-получатель должен обращаться за данными только после того, как они помещены в буфер потоком-отправителем. Если же поток-получатель обратился к данным до момента их поступления в буфер, то он дол­жен быть приостановлен.

При совместном использовании аппаратных ресурсов синхронизация также со­вершенно необходима. Когда, например, активному потоку требуется доступ к последовательному порту, а с этим портом в монопольном режиме работает дру­гой поток, находящийся в данный момент в состоянии ожидания, то ОС приос­танавливает активный поток и не активизирует его до тех пор, пока нужный ему порт не освободится. Часто нужна также синхронизация с событиями, внешними по отношению к вычислительной системе, например реакции на нажатие комби­нации клавиш Ctrl+C.

Ежесекундно в системе происходят сотни событий, связанных с распределением и освобождением ресурсов, и ОС должна иметь надежные и производительные средства, которые бы позволяли ей синхронизировать потоки с происходящими в системе событиями.

Для синхронизации потоков прикладных программ программист может исполь­зовать как собственные средства и приемы синхронизации, так и средства опера­ционной системы. Например, два потока одного прикладного процесса могут ко­ординировать свою работу с помощью доступной для них обоих глобальной логической переменной, которая устанавливается в единицу при осуществлении некоторого события, например выработки одним потоком данных, нужных для продолжения работы другого. Однако во многих случаях более эффективными или даже единственно возможными являются средства синхронизации, предос­тавляемые операционной системой в форме системных вызовов. Так, потоки, принадлежащие разным процессам, не имеют возможности вмешиваться каким-либо образом в работу друг друга. Без посредничества операционной системы они не могут приостановить друг друга или оповестить о произошедшем собы­тии. Средства синхронизации используются операционной системой не только для синхронизации прикладных процессов, но и для ее внутренних нужд.

Обычно разработчики операционных систем предоставляют в распоряжение при­кладных и системных программистов широкий спектр средств синхронизации. Эти средства могут образовывать иерархию, когда на основе более простых средств строятся более сложные, а также быть функционально специализированными, например средства для синхронизации потоков одного процесса, средства для синхронизации потоков разных процессов при обмене данными и т. д. Часто функциональные возможности разных системных вызовов синхронизации пере­крываются, так что для решения одной задачи программист может воспользо­ваться несколькими вызовами в зависимости от своих личных предпочтений.

Необходимость синхронизации и гонки

Пренебрежение вопросами синхронизации в многопоточной системе может при­вести к неправильному решению задачи или даже к краху системы. Рассмотрим, например (рис. 4.16), задачу ведения базы данных клиентов некоторого предпри­ятия. Каждому клиенту отводится отдельная запись в базе данных, в которой среди прочих полей имеются поля Заказ и Оплата. Программа, ведущая базу дан­ных, оформлена как единый процесс, имеющий несколько потоков, в том числе поток А, который заносит в базу данных информацию о заказах, поступивших от клиентов, и поток В, который фиксирует в базе данных сведения об оплате кли­ентами выставленных счетов. Оба эти потока совместно работают над общим файлом базы данных, используя однотипные алгоритмы, включающие три шага.

2. Внести новое значение в поле Заказ (для потока А) или Оплата (для потока В).

3. Вернуть модифицированную запись в файл базы данных.

https://pandia.ru/text/78/239/images/image002_238.gif" width="505" height="374 src=">

Рис. 4.17. Влияние относительных скоростей потоков на результат решения задачи

Критическая секция

Важным понятием синхронизации потоков является понятие «критической сек­ции» программы. Критическая секция - это часть программы, результат выпол­нения которой может непредсказуемо меняться, если переменные, относящиеся к этой части программы, изменяются другими потоками в то время, когда вы­полнение этой части еще не завершено. Критическая секция всегда определяется по отношению к определенным критическим данным, при несогласованном из­менении которых могут возникнуть нежелательные эффекты. В предыдущем при­мере такими критическими данными являлись записи файла базы данных. Во всех потоках, работающих с критическими данными, должна быть определена критическая секция. Заметим, что в разных потоках критическая секция состоит в общем случае из разных последовательностей команд.

Чтобы исключить эффект гонок по отношению к критическим данным, необхо­димо обеспечить, чтобы в каждый момент времени в критической секции, свя­занной с этими данными, находился только один поток. При этом неважно, нахо­дится этот поток в активном или в приостановленном состоянии. Этот прием называют взаимным исключением. Операционная система использует разные способы реализации взаимного исключения. Некоторые способы пригодны для взаимного исключения при вхождении в критическую секцию только потоков одного процесса, в то время как другие могут обеспечить взаимное исключение и для потоков разных процессов.

Самый простой и в то же время самый неэффективный способ обеспечения вза­имного исключения состоит в том, что операционная система позволяет потоку запрещать любые прерывания на время его нахождения в критической секции. Однако этот способ практически не применяется, так как опасно доверять управ­ление системой пользовательскому потоку - он может надолго занять процес­сор, а при крахе потока в критической секции крах потерпит вся система, потому что прерывания никогда не будут разрешены.

2. Механизмы синхронизации.

Блокирующие переменные

Для синхронизации потоков одного процесса прикладной программист может использовать глобальные блокирующие переменные. С этими переменными, к ко­торым все потоки процесса имеют прямой доступ, программист работает, не об­ращаясь к системным вызовам ОС.

Которые бы запре­щали прерывания на протяжении всей операции проверки и установки.

Реализация взаимного исключения описанным выше способом имеет существен­ный недостаток: в течение времени, когда один поток находится в критической секции, другой поток, которому требуется тот же ресурс, получив доступ к про­цессору, будет непрерывно опрашивать блокирующую переменную, бесполезно тратя выделяемое ему процессорное время, которое могло бы быть использовано для выполнения какого-нибудь другого потока. Для устранения этого недостат­ка во многих ОС предусматриваются специальные системные вызовы для рабо­ты с критическими секциями.

На рис. 4.19 показано, как с помощью этих функций реализовано взаимное ис­ключение в операционной системе Windows NT. Перед тем как начать измене­ние критических данных, поток выполняет системный вызов EnterCriticalSection(). В рамках этого вызова сначала выполняется, как и в предыдущем случае, проверка блокирующей переменной, отражающей состояние критического ресур­са. Если системный вызов определил, что ресурс занят (F(D) = 0), он в отличие от предыдущего случая не выполняет циклический опрос, а переводит поток в состояние ожидания (D) и делает отметку о том, что данный поток должен быть активизирован, когда соответствующий ресурс освободится. Поток, который в это время использует данный ресурс, после выхода из критической секции дол­жен выполнить системную функцию LeaveCriticalSectionO, в результате чего блокирующая переменная принимает значение, соответствующее свободному состоянию ресурса (F(D) = 1), а операционная система просматривает очередь ожидающих этот ресурс потоков и переводит первый поток из очереди в состоя­ние готовности.

Накладные расходы" href="/text/category/nakladnie_rashodi/" rel="bookmark">накладные расходы ОС по реализации функции входа в крити­ческую секцию и выхода из нее могут превысить полученную экономию.

Семафоры

Обобщением блокирующих переменных являются так называемые семафоры Дийкстры. Вместо двоичных переменных Дийкстра (Dijkstra) предложил исполь­зовать переменные, которые могут принимать целые неотрицательные значения. Такие переменные, используемые для синхронизации вычислительных процес­сов, получили название семафоров.

Для работы с семафорами вводятся два примитива, традиционно обозначаемых Р и V. Пусть переменная S представляет собой семафор. Тогда действия V(S) и P(S) определяются следующим образом.

* V(S): переменная S увеличивается на 1 единым действием. Выборка, наращи­вание и запоминание не могут быть прерваны. К переменной S нет доступа другим потокам во время выполнения этой операции.

* P(S): уменьшение S на 1, если это возможно. Если 5=0 и невозможно умень­шить S, оставаясь в области целых неотрицательных значений, то в этом случае поток, вызывающий операцию Р, ждет, пока это уменьшение станет возможным. Успешная проверка и уменьшение также являются неделимой операцией.

Никакие прерывания во время выполнения примитивов V и Р недопустимы.

В частном случае, когда семафор S может принимать только значения 0 и 1, он превращается в блокирующую переменную, которую по этой причине часто на­зывают двоичным семафором. Операция Р заключает в себе потенциальную воз­можность перехода потока, который ее выполняет, в состояние ожидания, в то время как операция V может при некоторых обстоятельствах активизировать дру­гой поток, приостановленный операцией Р.

Рассмотрим использование семафоров на классическом примере взаимодействия двух выполняющихся в режиме мультипрограммирования потоков, один из ко­торых пишет данные в буферный пул, а другой считывает их из буферного пула. Пусть буферный пул состоит из N буферов, каждый из которых может содержать одну запись. В общем случае поток-писатель и поток-читатель могут иметь раз­личные скорости и обращаться к буферному пулу с переменой интенсивностью. В один период скорость записи может превышать скорость чтения, в другой - наоборот. Для правильной совместной работы поток-писатель должен приоста­навливаться, когда все буферы оказываются занятыми, и активизироваться при освобождении хотя бы одного буфера. Напротив, поток-читатель должен приос­танавливаться, когда все буферы пусты, и активизироваться при появлении хотя бы одной записи.

Введем два семафора: е - число пустых буферов, и f - число заполненных буфе­ров, причем в исходном состоянии е = N, a f = 0. Тогда работа потоков с общим буферным пулом может быть описана следующим образом (рис. 4.20).

Поток-писатель прежде всего выполняет операцию Р(е), с помощью которой он проверяет, имеются ли в буферном пуле незаполненные буферы. В соответствии с семантикой операции Р, если семафор е равен 0 (то есть свободных буферов в данный момент нет), то поток-писатель переходит в состояние ожидания. Если же значением е является положительное число, то он уменьшает число свободных буферов, записывает данные в очередной свободный буфер и после этого наращи­вает число занятых буферов операцией V(f). Поток-читатель действует анало­гичным образом, с той разницей, что он начинает работу с проверки наличия заполненных буферов, а после чтения данных наращивает количество свободных буферов.

DIV_ADBLOCK860">

Семафор может использоваться и в качестве блокирующей переменной. В рас­смотренном выше примере, для того чтобы исключить коллизии при работе с разделяемой областью памяти, будем считать, что запись в буфер и считывание из буфера являются критическими секциями. Взаимное исключение будем обес­печивать с помощью двоичного семафора b (рис. 4.21). Оба потока после провер­ки доступности буферов должны выполнить проверку доступности критической секции.

https://pandia.ru/text/78/239/images/image007_110.jpg" width="495" height="639 src=">

Рис. 4.22. Возникновение взаимных блокировок при выполнении программы

ПРИМЕЧАНИЕ

Тупиковые ситуации надо отличать от простых очередей, хотя те и другие возникают при совместном использовании ресурсов и внешне выглядят похоже: поток приостанавлива­ется и ждет освобождения ресурса. Однако очередь - это нормальное явление, неотъемле­мый признак высокого коэффициента использования ресурсов при случайном поступле­нии запросов. Очередь появляется тогда, когда ресурс недоступен в данный момент, но освободится через некоторое время, позволив потоку продолжить выполнение. Тупик же, что видно из его названия, является в некотором роде неразрешимой ситуацией. Необхо­димым условием возникновения тупика является потребность потока сразу в нескольких ресурсах.

В рассмотренных примерах тупик был образован двумя потоками, но взаимно блокировать друг друга может и большее число потоков. На рис. 2.23 показано такое распределение ресурсов Ri между несколькими потоками Tj, которое при­вело к возникновению взаимных блокировок. Стрелки обозначают потребность потока в ресурсах. Сплошная стрелка означает, что соответствующий ресурс был выделен потоку, а пунктирная стрелка соединяет поток с тем ресурсом, который необходим, но не может быть пока выделен, поскольку занят другим потоком. Например, потоку Т1 для выполнения работы необходимы ресурсы R1 и R2, из ко­торых выделен только один - R1, а ресурс R2 удерживается потоком Т2. Ни один из четырех показанных на рисунке потоков не может продолжить свою работу, так как не имеет всех необходимых для этого ресурсов.

Невозможность потоков завершить начатую работу из-за возникновения вза­имных блокировок снижает производительность вычислительной системы. По­этому проблеме предотвращения тупиков уделяется большое внимание. На тот случай, когда взаимная блокировка все же возникает, система должна предоста­вить администратору-оператору средства, с помощью которых он смог бы распо­знать тупик, отличить его от обычной блокировки из-за временной недоступности ресурсов. И наконец, если тупик диагностирован, то нужны средства для снятия взаимных блокировок и восстановления нормального вычислительного процесса.

Владелец" href="/text/category/vladeletc/" rel="bookmark">владельцем , устанавливая его в несигнальное состояние, и входит в критическую секцию. После того как поток выполнил работу с критическими данными, он «отдает» мьютекс, устанавливая его в сигнальное состояние. В этот момент мьютекс сво­боден и не принадлежит ни одному потоку. Если какой-либо поток ожидает его освобождения, то он становится следующим владельцем этого мьютекса, одно­временно мьютекс переходит в несигнальное состояние.

Объект-событие (в данном случае слово «событие» используется в узком смыс­ле, как обозначение конкретного вида объектов синхронизации) обычно исполь­зуется не для доступа к данным, а для того, чтобы оповестить другие потоки о том, что некоторые действия завершены. Пусть, например, в некотором прило­жении работа организована таким образом, что один поток читает данные из файла в буфер памяти, а другие потоки обрабатывают эти данные, затем первый поток считывает новую порцию данных, а другие потоки снова ее обрабатывают и так далее. В начале работы первый поток устанавливает объект-событие в не­сигнальное состояние. Все остальные потоки выполнили вызов Wait(X), где X - указатель события, и находятся в приостановленном состоянии, ожидая наступ­ления этого события. Как только буфер заполняется, первый поток сообщает об этом операционной системе, выполняя вызов Set(X). Операционная система просматривает очередь ожидающих потоков и активизирует все потоки, которые ждут этого события.

Сигналы

Сигнал дает возможность задаче реагировать на событие, источником которого может быть операционная система или другая задача. Сигналы выбывают пре­рывание задачи и выполнение заранее предусмотренных действий. Сигналы мо­гут вырабатываться синхронно, то есть как результат работы самого процесса, а могут быть направлены процессу другим процессом, то есть вырабатываться асинхронно. Синхронные сигналы чаще всего приходят от системы прерываний процессора и свидетельствуют о действиях процесса, блокируемых аппаратурой, например деление на нуль, ошибка адресации, нарушение защиты памяти и т. д.

Примером асинхронного сигнала является сигнал с терминала. Во многих ОС предусматривается оперативное снятие процесса с выполнения. Для этого поль­зователь может нажать некоторую комбинацию клавиш (Ctrl+C, Ctrl+Break), в ре­зультате чего ОС вырабатывает сигнал и направляет его активному процессу. Сигнал может поступить в любой момент выполнения процесса (то есть он явля­ется асинхронным), требуя от процесса немедленного завершения работы. В дан­ном случае реакцией на сигнал является безусловное завершение процесса.

В системе может быть определен набор сигналов. Программный код процесса, которому поступил сигнал, может либо проигнорировать его, либо прореагиро­вать на него стандартным действием (например, завершиться), либо выполнить специфические действия, определенные прикладным программистом. В послед­нем случае в программном коде необходимо предусмотреть специальные систем­ные вызовы, с помощью которых операционная система информируется, какую процедуру надо выполнить в ответ на поступление того или иного сигнала.

Сигналы обеспечивают логическую связь между процессами, а также между про­цессами и пользователями (терминалами). Поскольку посылка сигнала преду­сматривает знание идентификатора процесса, то взаимодействие посредством сигналов возможно только между родственными процессами, которые могут по­лучить данные об идентификаторах друг друга.

В распределенных системах, состоящих из нескольких процессоров, каждый из которых имеет собственную оперативную память, блокирующие переменные, се­мафоры, сигналы и другие аналогичные средства, основанные на разделяемой памяти, оказываются непригодными. В таких системах синхронизация может быть реализована только посредством обмена сообщениями.

Привет! Сегодня продолжим рассматривать особенности многопоточного программирования и поговорим о синхронизации потоков.

Что же такое «синхронизация»? Вне области программирования под этим подразумевается некая настройка, позволяющая двум устройствам или программам работать совместно. Например, смартфон и компьютер можно синхронизировать с Google-аккаунтом, личный кабинет на сайте - с аккаунтами в социальных сетях, чтобы логиниться с их помощью. У синхронизации потоков похожий смысл: это настройка взаимодействия потоков между собой. В предыдущих лекциях наши потоки жили и работали обособленно друг от друга. Один что-то считал, второй спал, третий выводил что-то на консоль, но друг с другом они не взаимодействовали. В реальных программах такие ситуации редки. Несколько потоков могут активно работать, например, с одним и тем же набором данных и что-то в нем менять. Это создает проблемы. Представь, что несколько потоков записывают текст в одно и то же место - например, в текстовый файл или консоль. Этот файл или консоль в данном случае становится общим ресурсом. Потоки не знают о существовании друг друга, поэтому просто записывают все, что успеют за то время, которое планировщик потоков им выделит. В недавней лекции курса у нас был пример, к чему это приведет, давай его вспомним: Причина кроется в том, что потоки работали с общим ресурсом, консолью, не согласовывая действия друг с другом. Если планировщик потоков выделил время Потоку-1, тот моментально пишет все в консоль. Что там уже успели или не успели написать другие потоки - неважно. Результат, как видишь, плачевный. Поэтому в многопоточном программировании ввели специальное понятие мьютекс (от англ. «mutex», «mutual exclusion» - «взаимное исключение») . Задача мьютекса - обеспечить такой механизм, чтобы доступ к объекту в определенное время был только у одного потока. Если Поток-1 захватил мьютекс объекта А, остальные потоки не получат к нему доступ, чтобы что-то в нем менять. До тех пор, пока мьютекс объекта А не освободится, остальные потоки будут вынуждены ждать. Пример из жизни: представь, что ты и еще 10 незнакомых людей участвуете в тренинге. Вам нужно поочередно высказывать идеи и что-то обсуждать. Но, поскольку друг друга вы видите впервые, чтобы постоянно не перебивать друг друга и не скатываться в гвалт, вы используете правило c «говорящим мячиком»: говорить может только один человек - тот, у кого в руках мячик. Так дискуссия получается адекватной и плодотворной. Так вот, мьютекс, по сути, и есть такой мячик. Если мьютекс объекта находится в руках одного потока, другие потоки не смогут получить доступ к работе с этим объектом. Не нужно ничего делать, чтобы создать мьютекс: он уже встроен в класс Object , а значит, есть у каждого объекта в Java.

Как работает оператор synchronized

Особенности синхронизации в статических методах

Синхронизация потоков

При построении многопоточного приложения необходимо гарантировать, что любая часть разделяемых данных защищена от возможности изменения их значений множеством потоков. Учитывая, что все потоки в AppDomain имеют параллельный доступ к разделяемым данным приложения, представьте, что может случиться, если несколько потоков одновременно обратятся к одному и тому же элементу данных. Поскольку планировщик потоков случайным образом будет приостанавливать их работу, что если поток А будет прерван до того, как завершит свою работу? А вот что: поток В после этого прочтет нестабильные данные.

Чтобы проиллюстрировать проблему, связанную с параллелизмом, давайте рассмотрим следующий пример:

Public class MyTheard { public void ThreadNumbers() { // Информация о потоке Console.WriteLine("{0} поток использует метод ThreadNumbers",Thread.CurrentThread.Name); // Выводим числа Console.Write("Числа: "); for (int i = 0; i

Прежде чем посмотреть на тестовые запуски, давайте еще раз проясним проблему. Первичный поток внутри этого домена приложений начинает свое существование, порождая десять вторичных рабочих потоков. Каждый рабочий поток должен вызвать метод ThreadNumbers() на одном и том же экземпляре MyTheard. Учитывая, что никаких мер для блокировки разделяемых ресурсов этого объекта (консоли) не предпринималось, есть хороший шанс, что текущий поток будет отключен, прежде чем метод ThreadNumbers() сможет напечатать полные результаты. Поскольку в точности не известно, когда это может случиться (и может ли вообще), будут получаться непредвиденные результаты. Например, может появиться следующий вывод:

Ясно, что здесь присутствует определенная проблема. Как только каждый поток требует от MyTheard печати числовых данных, планировщик потоков меняет их местами в фоновом режиме. В результате получается несогласованный вывод. Для решения подобных проблем в C# используется синхронизация .

В основу синхронизации положено понятие блокировки, посредством которой организуется управление доступом к кодовому блоку в объекте. Когда объект заблокирован одним потоком, остальные потоки не могут получить доступ к заблокированному кодовому блоку. Когда же блокировка снимается одним потоком, объект становится доступным для использования в другом потоке.

Средство блокировки встроено в язык C#. Благодаря этому все объекты могут быть синхронизированы. Синхронизация организуется с помощью ключевого слова lock . Она была предусмотрена в C# с самого начала, и поэтому пользоваться ею намного проще, чем кажется на первый взгляд. В действительности синхронизация объектов во многих программах на C# происходит практически незаметно.

Ниже приведена общая форма блокировки:

lock(lockObj) { // синхронизируемые операторы }

где lockObj обозначает ссылку на синхронизируемый объект. Если же требуется синхронизировать только один оператор, то фигурные скобки не нужны. Оператор lock гарантирует, что фрагмент кода, защищенный блокировкой для данного объекта, будет использоваться только в потоке, получающем эту блокировку. А все остальные потоки блокируются до тех пор, пока блокировка не будет снята. Блокировка снимается по завершении защищаемого ею фрагмента кода.

Блокируемым считается такой объект, который представляет синхронизируемый ресурс. В некоторых случаях им оказывается экземпляр самого ресурса или же произвольный экземпляр объекта, используемого для синхронизации. Следует, однако, иметь в виду, что блокируемый объект не должен быть общедоступным, так как в противном случае он может быть заблокирован из другого, неконтролируемого в программе фрагмента кода и в дальнейшем вообще не разблокируется.

В прошлом для блокировки объектов очень часто применялась конструкция lock (this). Но она пригодна только в том случае, если this является ссылкой на закрытый объект. В связи с возможными программными и концептуальными ошибками, к которым может привести конструкция lock (this), применять ее больше не рекомендуется. Вместо нее лучше создать закрытый объект, чтобы затем заблокировать его.

Давайте модифицируем предыдущий пример добавив в него синхронизацию:

Public class MyTheard { private object threadLock = new object(); public void ThreadNumbers() { // Используем маркер блокировки lock (threadLock) { // Информация о потоке Console.WriteLine("{0} поток использует метод ThreadNumbers", Thread.CurrentThread.Name); // Выводим числа Console.Write("Числа: "); for (int i = 0; i

Как только поток войдет в контекст lock, маркер блокировки (в данном случае - текущий объект) станет недоступным другим потокам до тех пор, пока блокировка не будет снята по выходе из контекста lock. Таким образом, если поток А захватит маркер блокировки, другие потоки не смогут войти ни в один из контекстов, использующих тот же маркер, до тех пор, пока поток А не освободит его.

Потоки могут находиться в одном из нескольких состояний:

Ready (готов) – находящийся в пуле (pool) потоков, ожидающих выполнения;

Running (выполнение) - выполняющийся на процессоре;

Waiting (ожидание), также называется idle или suspended, приостановленный - в состоянии ожидания, которое завершается тем, что поток начинает выполняться (состояние Running) или переходит в состояние Ready ;

Terminated (завершение) - завершено выполнение всех команд потока. Впоследствии его можно удалить. Если поток не удален, система может вновь установить его в исходное состояние для последующего использования.

Синхронизация потоков

Выполняющимся потокам часто необходимо каким-то образом взаимодействовать. Например, если несколько потоков пытаются получить доступ к некоторым глобальным данным, то каждому потоку нужно предохранять данные от изменения другим потоком. Иногда одному потоку нужно получить информацию о том, когда другой поток завершит выполнение задачи. Такое взаимодействие обязательно между потоками как одного, так и разных процессов.

Синхронизация потоков (thread synchronization ) - это обобщенный термин, относящийся к процессу взаимодействия и взаимосвязи потоков. Учтите, что синхронизация потоков требует привлечения в качестве посредника самой операционной системы. Потоки не могут взаимодействовать друг с другом без ее участия.

В Win32 существует несколько методов синхронизации потоков. Бывает, что в конкретной ситуаций один метод более предпочтителен, чем другой. Давайте вкратце ознакомимся с этими методами.

Критические секции

Один из методов синхронизации потоков состоит в использовании критических секций (critical sections). Это единственный метод синхронизации потоков, который не требует привлечения ядра Windows. (Критическая секция не является объектом ядра). Однако этот метод может использоваться только для синхронизации потоков одного процесса.

Критическая секция - это некоторый участок кода, который в каждый момент времени может выполняться только одним из потоков. Если код, используемый для инициализации массива, поместить в критическую секцию, то другие потоки не смогут войти в этот участок кода до тех пор, пока первый поток не завершит его выполнение.

До использования критической секции необходимо инициализировать ее с помощью процедуры Win32 API InitializeCriticalSection(), которая определяется (в Delphi) следующим образом:

procedure InitializeCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

Параметр IpCriticalSection представляет собой запись типа TRTLCriticalSection, которая передается по ссылке. Точное определение записи TRTLCriticalSection не имеет большого значения, поскольку вам вряд ли понадобится когда-либо заглядывать в ее содержимое. От вас требуется лишь передать неинициализированную запись в параметр IpCtitical Section, и эта запись будет тут же заполнена процедурой.

После заполнения записи в программе можно создать критическую секцию, поместив некоторый участок ее текста между вызовами функций EnterCriticalSection() и LeaveCriticalSection(). Эти процедуры определяются следующим образом:

procedure EnterCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

procedure LeaveCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;

Параметр IpCriticalSection, который передается этим процедурам, является не чем иным, как записью, созданной процедурой InitializeCriticalSection().

Функция EnterCriticalSection проверяет, не выполняет ли уже какой-нибудь другой поток критическую секцию своей программы, связанную с данным объектом критической секции. Если нет, поток получает разрешение на выполнение своего критического кода, точнее, ему не запрещают это делать. Если да, то поток, обратившийся с запросом, переводится в состояние ожидания, а о запросе делается запись. Так как нужно создавать записи, объект «критическая секция» представляет собой структуру данных.

Когда функция LeaveCriticalSection вызывается потоком, который владеет в текущий момент разрешением на выполнение своей критической секции кода, связанной с данным объектом «критическая секция», система может проверить, нет ли в очереди другого потока, ожидающего освобождения этого объекта. Затем система может вынести ждущий поток из состояния ожидания, и он продолжит свою работу (в выделенные ему кванты времени).

По окончании работы с записью TRTLCriticalSection необходимо освободить ее, вызвав процедуру DeleteCriticalSection(), которая определяется следующим образом:

procedure DeleteCriticalSection(var IpCriticalSection: TRTLCriticalSection); stdcall;