В системе 3 мы теряем все отмеченные ранее проектные возможности. Мы определенно не можем выполнять различные потоки одного процесса на различных узлах (хотя при этом мы можем выполнять их на различных процессорах в SMP-системе). Также мы потеряли наши возможности переконфигурации — теперь нам обязательно понадобится механизм явного доопределения, который из алгоритмов «ввода», «обработки» и «вывода» мы должны использовать (эту проблему можно решить с помощью разделяемых объектов, также известных как динамические библиотеки — DLL).
Так почему же я должен проектировать свою систему, используя многопоточность, как в Системе 3? Почему бы мне для обеспечения максимальной универсальности не выбрать Систему 1?
Ну, даже при том, что Система 3 является наиболее ригидной, она, скорее всего, окажется самой быстродействующей. В ней не будет переключений контекста между потоками в различных процессах, мне не придется настраивать разделяемую память, а также применять абстрактные методы синхронизации типа программных каналов, очередей сообщений POSIX или обмен сообщениями QNX/Neutrino для обеспечения доставки данных или управляющей информации — я смогу использовать базовые примитивы синхронизации потоков на уровне ядра. Другим преимуществом является то, что при запуске системы, состоящей из одного процесса (с тремя потоками), я могу быть уверен, что все, что мне понадобится далее, уже загружено с носителя (то есть потом не выяснится что-то типа «Опа! А нужного-то драйвера на диске и нету...») И, наконец, Система 3 также, скорее всего, будет наиболее компактной, потому что не придется использовать три отдельных копии информации, характерной для процессов (например, дескрипторы файлов).
Мораль: знайте, какое решение сулит какие выгоды и какие потери, и применяйте то, что будет оптимальным для вашего конкретного проекта.
Дополнительно о синхронизации
Мы уже обсудили:
• мутексы;
• семафоры;
• барьеры.
Давайте теперь завершим нашу дискуссию о синхронизации, обсудив следующее:
• блокировки чтения/записи (reader/writer locks);
• ждущие блокировки (sleepons);
• условные переменные (condition variables);
• дополнительные сервисы QNX/QNX/Neutrino.
Блокировки чтения/записи
Блокировки чтения/записи применяются точно в соответствии с их названием: несколько «читателей» могут использовать ресурс в отсутствие «писателей», или один «писатель» может использовать ресурс в отсутствие «читателей» и других «писателей».
Эта ситуация возникает достаточно часто для того, чтобы создать отдельный примитив синхронизации специально для этих целей.
У вас будет часто возникать ситуация разделения структуры данных группой потоков. Очевидно, что в любой момент времени только один поток может записывать данные в эту структуру. Если бы запись велась более чем одним потоком одновременно, одни потоки могли бы записать свои данные поверх данных других потоков. Для предотвращения таких ситуаций поток-«писатель» должен эксклюзивно получить блокировку чтения/записи («rwlock»), обозначив этим, что он и только он имеет доступ к структуре данных. Заметьте, что это исключительное право доступа «строго контролируется на добровольных началах» — обеспечение того, чтобы все потоки, которые пользуются указанной областью данных, синхронизировались с использованием блокировок чтения/ записи, зависит только от вас.
С «читателями» ситуация противоположная. Поскольку считывание области данных — неразрушающая операция, любое число потоков может считывать данные (даже если ту же часть данных в этот момент считывает другой поток). Сложным моментом здесь является то, что никто не должен производить запись в область данных, из которой в этот момент ведется чтение. В противном случае, считывающие потоки могут быть «введены в заблуждение» — например, поток мог бы считать часть данных, затем быть вытесненным потоком-«писателем» затем возобновиться и продолжить считывание данных, но уже обновленных! Это может закончиться нарушением целостности данных.
Давайте рассмотрим вызовы, которые вы могли бы использовать при применении блокировок чтения/записи.
Первые два вызова используются для инициализации внутренних областей памяти для rwlock-блокировок (чтения/записи):
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *lock,
const pthread_rwlockattr_t *attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *lock);
Функция pthread_rwlock_init() принимает аргумент lock (типа pthread_rwlock_t) и инициализирует его атрибутами, указанными в параметре attr. В нашем примере мы применим атрибут NULL, что будет означать «применить значения по умолчанию». Более подробно об этом см. документацию на функции:
pthread_rwlockattr_init();
pthread_rwlockattr_destroy();
pthread_rwlockattr_getpshared();
pthread_rwlockattr_setpshared().
Когда мы закончим свои дела с блокировкой чтения/записи, её следует уничтожить функцией pthread_rwlock_destroy().
Никогда не используйте блокировку, которая либо уже уничтожена, либо еще не инициализирована.
Далее, мы должны выбрать блокировку подходящего типа. Как отмечалось выше, в основном применяются два режима блокировки: «читателю» желательно иметь «неэксклюзивный» доступ, а для «писателю» — «эксклюзивный». Для упрощения имен, функции названы по именам своих пользователей:
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *lock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *lock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t* lock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *lock);
Существует четыре функции блокировки, а не две, как вы могли бы предположить. Очевидно, «предполагаемыми» функциями были pthread_rwlock_rdlock() и pthread_rwlock_wrlock(), используемые «читателями» и «писателями», соответственно.
Это — собственно блокирующие вызовы: если блокировка для выбранной операции недоступна, поток будет блокирован. Когда блокировка становится доступной в соответствующем режиме, поток будет разблокирован, из чего он сможет предположить, что теперь можно спокойно обращаться к защищенному блокировкой ресурсу.
Иногда, тем не менее, поток может не захотеть блокироваться, желая вместо этого просто узнать, доступна ли нужная блокировка. Для этого и существуют версии функций, содержащие в имени «try» («проверка»). Важно отметить, что «проверочные» версии получат блокировку, если она доступна, но если нет, тогда они не будут блокированы, а только возвратят код ошибки. Причина, по которой они должны получать блокировку, если она доступна, очень проста. Предположим, что поток хочет получить блокировку на чтение, но не хочет ждать, если блокировка окажется недоступной. Поток вызывает функцию pthread_rwlock_tryrdlock(), и оказывается, что блокировка доступна. Если бы функция pthread_rwlock_tryrdlock() не захватывала доступную блокировку немедленно, могли бы произойти неприятные вещи — наш поток мог бы быть, к примеру, вытеснен другим потоком, а тот, в свою очередь, мог бы блокировать нужный нам ресурс. Поскольку первому потоку фактически не была предоставлена блокировка, после возобновления ему придется вызывать pthread_rwlock_rdlock(), и вот теперь он будет заблокирован, поскольку ресурс более недоступен. Иными словами, в такой ситуации даже поток, не желающий блокироваться и поэтому вызывающий «проверочную» версию, по-прежнему может быть заблокирован!