Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

Алгоритм производителей-потребителей

Еще один многопоточный алгоритм, тесно связанный с проблемой потоков считывания и записи - алгоритм, решающий проблему производителей и потребителей.

Этот раздел адресован только тем программистам, которые работают в среде 32-раздядной Windows. Delphi I вообще не поддерживает многопоточную обработку, в то время как Kylix и Linux не предоставляют необходимых примитивных объектов синхронизации, с помощью которых можно было бы решить проблему производителей-потребителей.

В этой ситуации имеется один или более потоков, создающих данные (их называют производителями (producers)), которые будут использоваться или потребляться одним или большим количеством других потоков (называемых потребителями (consumers)). Как видите, эта задача тесно связана с алгоритмом потоков считывания-записи: потребителей можно считать потоками считывания данных, записанных производителями. Примером использования этого алгоритма может послужить программа потокового видео: в этом случае будет существовать поток, который загружает видео из какого-то Web-сайта, и поток, который воспроизводит загруженное видео. Ни один из этих потоков не должен беспокоиться о том, что должен делать второй.

Мы сымитируем этот процесс подпрограммой копирования нескольких потоков. Производитель будет копировать данные из потока в очередь буферов. Затем потребитель будет копировать данные из буферов в другой поток. Например, мог бы существовать производитель, считывающий несжатые данные из потока, и два потребителя данных: один, сжимающий данные в другой поток с помощью одного алгоритма, и второй, сжимающий их с помощью другого алгоритма, что теоретически позволяет выбирать более плотно упакованные данные. В этом случае производитель может продолжать работу и пытаться максимально быстро заполнять буфера в очереди, а потребители, в свою очередь, могут пытаться максимально быстро их считывать. Работа производителя будет тормозиться, если потребители работают недостаточно быстро и очередь заполняется непрочитанными буферами. Аналогично, работа потребителей будет замедляться, если производитель работает медленно и очередь опустошается.

Модель с одним производителем и одним потребителем

Вначале рассмотрим модель с одним производителем и одним потребителем. Затем мы ее расширим до модели с одним производителем и несколькими потребителями. Нам необходимо, чтобы сразу после генерирования производителем "достаточного" объема данных потребитель мог начинать использовать уже сгенерированные данные. Поэтому необходимо рассмотреть три ситуации: производитель и потребитель работают согласованно;

потребитель прекращает свою работу или блокируется, поскольку производитель не создал достаточный объем данных;

производитель блокируется, поскольку потребитель не успел выполнить считывание уже созданных данных.

В примере с копированием потока производитель будет прекращать работу, если ему удастся заполнить все буферы прежде, чем потребитель успеет считать и обработать первый буфер. Потребитель будет блокироваться, если ему удастся обработать все буферы прежде, чем производитель успеет заполнить еще один буфер.

Следовательно, разрабатываемый нами класс синхронизации должен содержать четыре метода: вызываемый производителем, чтобы начать генерирование данных;

вызываемый при наличии каких-либо данных, готовых для использования потребителем;

вызываемый потребителем, чтобы начать потребление данных;

и, наконец, вызываемый потребителем по завершении потребления им объема данных, достаточного для возобновления генерации данных производителем. Как и в случае потоков считывания-записи, оба метода запуска могут блокировать вызывающие их потоки.

Полный код интерфейса и реализации класса производителя-потребителя приведен в листинге 12.7. Как видите, реализация весьма проста.

Листинг 12.7. Класс синхронизации одного производителя и одного потребителя type

TtdProduceConsumeSync = class private

FHasData : THandle;

{семафор}

FNeedsData : THandle;

{семафор}

protected

public

constructor Create(aBufferCount : integer);

destructor Destroy; override;

procedure StartConsuming;

procedure StartProducing;

procedure StopConsuming;

procedure StopProducing;

end;

Первым делом, мы рассмотрим метод StartProducing (см. листинг 12.8), вызываемый производителем для запуска генерирования данных. Метод будет вызывать блокировку, если потребитель не успел использовать достаточно данных, чтобы производитель мог заменить их новыми. Метод достаточно прост: он просто ожидает передачи семафора "требуются данные". Как мы увидим, этот семафор будет передаваться потребителем.