Семафоры и мьютексы

Мьютекс

Изображение 1: Попытка одновременного удаления двух узлов i и i + 1 приводит к сохранению узла i + 1.

Мью́текс (англ. mutex, от mutual exclusion — «взаимное исключение») — аналог одноместного семафора, служащий в программировании для синхронизации одновременно выполняющихся потоков.

Мьютекс отличается от семафора тем, что только владеющий им поток может его освободить, т.е. перевести в отмеченное состояние. Мьютексы — это один из вариантов семафорных механизмов для организации взаимного исключения. Они реализованы во многих ОС, их основное назначение — организация взаимного исключения для потоков из одного и того же или из разных процессов.

Мьютексы — это простейшие двоичные семафоры, которые могут находиться в одном из двух состояний — отмеченном или неотмеченном (открыт и закрыт соответственно). Когда какой-либо поток, принадлежащий любому процессу, становится владельцем объекта mutex, последний переводится в неотмеченное состояние. Если задача освобождает мьютекс, его состояние становится отмеченным.

Задача мьютекса — защита объекта от доступа к нему других потоков, отличных от того, который завладел мьютексом. В каждый конкретный момент только один поток может владеть объектом, защищённым мьютексом. Если другому потоку будет нужен доступ к переменной, защищённой мьютексом, то этот поток блокируется до тех пор, пока мьютекс не будет освобождён.

Цель использования мьютексов — защита данных от повреждения в результате асинхронных изменений (состояние гонки), однако могут порождаться другие проблемы — например взаимная блокировка (клинч).

Мьютексы в языке Си

Последний стандарт языка Си (ISO/IEC 9899:2011) определяет тип mtx_t и функции для работы с ним, которые должны быть доступны, если макрос __STDC_NO_THREADS__ не был определён компилятором. Семантика и свойства мьютексов в целом совпадают со стандартом POSIX:

  • mtx_plain — нет контроля повторного захвата тем же потоком;
  • mtx_recursive — повторные захваты тем же потоком допустимы, ведётся счётчик таких захватов;
  • mtx_timed — поддерживается захват мьютекса с тайм-аутом (следует отметить, что, в отличие от стандарта POSIX, поддержка этого свойства мьютекса не является опциональной).

Возможность использования мьютексов в разделяемой памяти различных процессов в стандарте Си11 не рассматривается.

Пример использования простого мьютекса на чистом Си:

char mut1 = 0; // функция использующая общие ресурсы void func() { // while(mut1) {} в этом случае функция будет ждать, пока не завершится функция в другом потоке if (!mut1){ // в этом случае функция не выполнится, если уже выполняется эта же функция из др. потока mut1 = 1; // код с использованием общих ресурсов mut1 = 0; } } // Пример метода run 1го потока void run1() { while (1) { func(); sleep(1); } } // Пример метода run 2го потока void run2() { func(); }

Мютекс и монитор

— Привет, Амиго!

В своих предыдущих лекциях я иногда использовала слова «мютекс» и «монитор», теперь настало время рассказать, что же это значит.

— Я готов слушать.

— Мютекс – это специальный объект для синхронизации нитей/процессов. Он может принимать два состояния – занят и свободен. Если упростить, то мютекс – это boolean-переменная, которая принимает два значения: занят(true) и свободен(false).

Когда нить хочет монопольно владеть некоторым объектом, она помечает его мютекс занятым, а когда закончила работу с ним – помечает его мютекс свободным.

— Т.е. мютекс – это как табличка на двери – занят/свободен?

— Да. И такой мютекс прикреплен к каждому объекту в Java. Прямой доступ к мютексу есть только у Java-машины. От программиста он скрыт.

— А как же тогда его использовать?

— А работать с мютексом в Java можно посредством монитора.

Монитор – это специальный механизм (кусок кода) – надстройка над мютексом, который обеспечивает правильную работу с ним. Ведь мало пометить, что объект – занят, надо еще обеспечить, чтобы другие нити не пробовали воспользоваться занятым объектом.

В Java монитор реализован с помощью ключевого слова synchronized.

Когда ты пишешь блок synchronized, то компилятор Java заменяет его тремя кусками кода:

1) В начале блока synchronized добавляется код, который отмечает мютекс как занятый.

2) В конце блока synchronized добавляется код, который отмечает мютекс как свободный.

3) Перед блоком synchronized добавляется код, который смотрит, если мютекс занят – то нить должна ждать его освобождения.

Вот как это примерно работает:

Код Как это работает Описание
synchronized(object) { object.doJob(); } while (object.mutex) Thread.sleep(1); object.mutex = true; object.doJob(); object.mutex = false; Нить спит, пока мютекс занят
(выйдем из цикла, когда мютекс освободится)Помечаем мютекс занятым

Выполняем doJob();

Помечаем мютекс свободным

На самом деле логика там другая и сложнее, но это уже детали.

— А можно подробности?

— Пока не научишься правильно этим пользоваться – в детали лезть нет смысла.

Пару уровней назад я дала тебе список всех состояний нити со стрелками переходов и списком методов, которые влияют на это состояние. Ты много запомнил?

— Не очень. Просто все быстро забывается…

— Чем меньше практики, тем меньше пользы и от теории.

Вот уровню к 40 научишься всем этим пользоваться, и я тебе объясню, как все устроено на самом деле. А пока — учись просто правильно всем пользоваться. Ясно?

— Да, спасибо, Элли.

Мьютексы

Объект взаимного исключения (mutual exception), или мьютекс (mutex), обеспечивает более универсальную функциональность по сравнению с объектом CRITICAL_SECTION. Поскольку мьютексы могут иметь имена и дескрипторы, их можно использовать также для синхронизации потоков, принадлежащих различным процессам. Так, два процесса, разделяющие общую память посредством отображения файлов, могут использовать мьютексы для синхронизации доступа к разделяемым областям памяти.

Объекты мьютексов аналогичны объектам CS, однако, дополнительно к возможности их совместного использования различными процессами, они допускают конечные периоды ожидания, а мьютексы, покинутые (abandoned) завершающимся процессом, переходят в сигнальное состояние. Поток приобретает права владения мьютексом (или блокирует (block) мьютекс) путем вызова функции ожидания (WaitForSingleObject или WaitForMultipleObjects) по отношению к дескриптору мьютекса и уступает эти права посредством вызова функции ReleaseMutex.

Как всегда, необходимо тщательно следить за тем, чтобы потоки своевременно освобождали ресурсы, в которых они больше не нуждаются. Поток может завладевать одним и тем же ресурсом несколько раз, и при этом не будет блокироваться даже в тех случаях, когда уже владеет данным ресурсом. В конечном счете, поток должен освободить мьютекс столько раз, сколько она его захватывала. Такая возможность рекурсивного захвата ресурсов, существующая и в случае объектов CS, может оказаться полезной для ограничения доступа к рекурсивным функциям, а также в приложениях, реализующих вложенные транзакции (nested transactions).

При работе с мьютексами мы будем пользоваться функциями CreateMutex, ReleaseMutex и OpenMutex.

HANDLE CreateMutex(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa, BOOL bInitialOwner, LPCTSTR lpMutexName)

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex)

bInitialOwner — если значение этого флага установлено равным True, вызывающий поток немедленно приобретает права владения новым мьютексом. Эта атомарная операция позволяет предотвратить приобретение прав владения мьютексом другими потоками, прежде чем это сделает поток, создающий мьютекс. Как следует из самого его названия (initial owner — исходный владелец), этот флаг не оказывает никакого действия, если мьютекс уже существует.

lpMutexName — указатель на строку, содержащую имя мьютекса; в отличие от файлов имена мьютексов чувствительны к регистру. Если этот параметр равен NULL, то мьютекс создается без имени. События, мьютексы, семафоры, отображения файлов и другие объекты ядра, упоминаемые в данной книге, — все они используют одно и то же пространство имен, отличное от пространства имен файловой системы. Поэтому имена всех объектов синхронизации должны быть различными. Длина указанных имен не может превышать 260 символов.

Возвращаемое значение имеет тип HANDLE; значение NULL указывает на неудачное завершение функции.

Функция OpenMutex открывает существующий именованный мьютекс. Впоследствии эта функция не обсуждается, но используется в некоторых примерах. Эта функция дает возможность потокам, принадлежащим различным процессам, синхронизироваться так, как если бы они принадлежали одному и тому же процессу. Вызову функции OpenMutex в одном процессе должен предшествовать вызов функции CreateMutex в другом процессе. Для семафоров и событий, как и для отображенных файлов (глава 5), также имеются соответствующие функции Create и Open. При вызове этих функций всегда предполагается, что сначала один процесс, например сервер, вызывает функцию Create для создания именованного объекта, а затем другие процессы вызывают функцию Open, которая завершается неудачей, если именованный объект к этому моменту еще не был создан. Возможен и такой вариант, когда все процессы самостоятельно используют вызов функции Create с одним и тем же именем, если порядок создания объектов не имеет значения.

Функция ReleaseMutex освобождает мьютекс, которым владеет вызывающий поток. Если мьютекс не принадлежит потоку, функция завершается с ошибкой.

BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex)

Спецификация POSIX Pthreads поддерживает мьютексы. Имеются следующие основные функции:

• pthread_mutex_init

• pthread_mutex_destroy

• pthread_mutex_lock

• pthread_mutex_unlock

Функция pthread_mutex_lock является блокирующей и поэтому эквивалентна функции WaitForSingleObject в случае ее применения к дескриптору мьютекса. Функция pthread_mutex_trylock осуществляет опрос и не является блокирующей, соответствуя функции WaitForSingleObject в случае ее применения с нулевым значением интервала ожидания. Потоки Pthreads не поддерживают конечные интервалы ожидания и не предлагают средств, аналогичных Windows-объектам CRITICAL_SECTION.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *