Семейство Interlocked-функций

Входящее в состав Win32 API семейство выполняющихся атомарно Interlocked-функций дает ключ к решению многих проблем синхронизации. Например, функция

LONG InterlockedExchangeAdd(PLONG plAddend, LONG lncrement);

позволяет атомарным образом увеличить значение переменной. В этом случае корректное приращение переменной Count, описанное в начале лекции, может быть обеспечено следующей операцией:

InterlockedExchangeAdd (&Count, 1);

В MSDN можно прочитать и про другие Interlocked-функции. Например, в качестве TSL инструкции, необходимой для решения проблемы входа в критическую секцию, можно применить функцию InterlockedCompareExchange.

Реализация Interlocked-функций зависит от аппаратной платформы. На x86-процессорах они выдают по шине аппаратный сигнал, закрывая для других процессоров конкретный адрес памяти.

Существенно то, что Interlocked-функции выполняются в пользовательском режиме работы процессора в течение примерно 50 тактов, то есть чрезвычайно быстро.

Прогон программы синхронизации с помощью переменной замка

Для практического знакомства с проблемой синхронизации вначале необходимо написать программу, требующую синхронизации. Например, такую, как приведенная ниже программа async:

#include <windows.h>

#include <stdio.h>

#include <math.h>

 

int Sum = 0, iNumber=5, jNumber=300000;

 

DWORD WINAPI SecondThread(LPVOID){

int i,j;

double a,b=1.;

 

for (i = 0; i < iNumber; i++)

{

for (j = 0; j < jNumber; j++)

{

Sum = Sum + 1; a=sin(b);

}

}

return 0;

}

 

void main(){

int i,j;

double a,b=1.;

HANDLE hThread;

DWORD IDThread;

 

hThread=CreateThread(NULL, 0, SecondThread, NULL, 0, &IDThread);

if (hThread == NULL) return;

 

for (i = 0; i < iNumber; i++)

{

for (j = 0; j < jNumber; j++)

{

Sum = Sum - 1; a=sin(b);

}

printf(" %d ",Sum);

}

 

WaitForSingleObject(hThread, INFINITE); // ожидание окончания потока SecondThread

printf(" %d ",Sum);

}

В данной программе поток SecondThread в цикле дает приращение общей переменной Sum, а основной поток также в цикле уменьшает ее значение и периодически выводит его на экран. Вычисление синуса включено в программу для замедления. Легко убедиться, что результаты работы программы вследствие перемешивания непредсказуемы, особенно если параметр jNumber подобрать с учетом быстродействия компьютера.

Рекомендуется ввести в данную программу синхронизацию с помощью глобальной переменной-замка, включив в нее операции while(lock); и lock=1; и добиться предсказуемости в работе программы.

Поскольку ситуация, в которой квант времени, выделенный потоку, истекает между while(lock); и lock=1; маловероятна, можно смоделировать ее искусственно, введя между этими операциями паузу (функция Sleep, например). Наконец, желательно реализовать правильное решение путем опроса и модификации переменной замка с помощью TSL-инструкции (функция InterlockedCompareExchange).

Спин-блокировка

Рассмотренные решения проблемы синхронизации, безусловно, являются корректными. Они реализуют следующий алгоритм: перед входом в критическую секцию поток проверяет возможность входа и, если такой возможности нет, продолжает опрос значения переменной-замка. Такое поведение потока, связанное с его вращением в пустом цикле, называется активным ожиданием или спин-блокировкой (spin lock).

Очевидно, что на однопроцессорной машине это пустая трата машинного времени, поскольку значение опрашиваемой переменной в течение этого цикла не может быть волшебным образом изменено.

Спин-блокировка, хотя бы временная, может быть полезна на многопроцессорных машинах, где один из потоков крутится в цикле, а второй - работает на другом процессоре и может изменить значение переменной-замка. В этом случае у активно ожидающего потока есть шанс быстро войти в критическую секцию, не будучи блокированным. Блокировка потока связана с переходом в режим ядра (примерно 1000 тактов работы процессора).

Однако более разумным решением, особенно на однопроцессорных машинах, представляется перевод потока в состояние ожидания, если вход в критическую секцию запрещен. После снятия запрета на вход в критическую секцию этот поток переводится в состояние готовности.

Critical Sections

В составе API ОС Windows имеются специальные и эффективные функции для организации входа в критическую секцию и выхода из нее потоков одного процесса в режиме пользователя. Они называются EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection и имеют в качестве параметра предварительно проинициализированную структуру типа CRITICAL_SECTION.

Примерная схема программы может выглядеть следующим образом.

CRITICAL_SECTION cs;

DWORD WINAPI SecondThread()

{

InitializeCriticalSection(&cs);

 

EnterCriticalSection(&cs);

… критический участок кода

LeaveCriticalSection(&cs);

}

 

main ()

{

InitializeCriticalSection(&cs);

CreateThread(NULL, 0, SecondThread,…);

 

 

EnterCriticalSection(&cs);

… критический участок кода

LeaveCriticalSecLion(&cs);

DeleteCriticalSection(&cs);

}

Функции EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection реализованы на основе Interlocked-функций, выполняются атомарным образом и работают очень быстро. Существенным является то, что в случае невозможности входа в критический участок поток переходит в состояние ожидания. Впоследствии, когда такая возможность появится, поток будет "разбужен" и сможет сделать попытку входа в критическую секцию. Механизм пробуждения потока реализован с помощью объекта ядра "событие" (event), которое создается только в случае возникновения конфликтной ситуации.

Уже говорилось, что иногда, перед блокированием потока, имеет смысл некоторое время удерживать его в состоянии активного ожидания. Чтобы функция EnterCriticalSection выполняла заданное число циклов спин-блокировки, критическую секцию целесообразно проинициализировать с помощью функции InitalizeCriticalSectionAndSpinCount.

Прогон программы

В качестве самостоятельного упражнения рекомендуется реализовать синхронизацию в выше приведенной программе async с помощью перечисленных примитивов. Важно не забывать про корректный выход из критической секции, то есть про парное использование функций EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection.