Н.В. Вдовикина, И.В. Машечкин, А.Н. Терехин, А.Н. Томилин - Операционные системы - взаимодействие процессов (2008) (1114653), страница 24
Текст из файла (страница 24)
не был заблокирован никакой нитью, тоpthread_mutex_lock() блокирует его и немедленно возвращаетуправление вызвавшей ее нити. Если же семафор к моменту вызовафункции уже находился в заблокированном состоянии, то нить,обратившаяся к pthread_mutex_lock(), приостанавливается до техпор, пока блокировка семафора не будет снята, после чеговыполнение функции pthread_mutex_lock() завершается: онаблокирует семафор и возвращает управление вызвавшей ее нити.Существует также неблокирующий вариант той же операции:#include <pthread.h>int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);Функция pthread_mutex_trylock() ведет себя аналогичноpthread_mutex_lock(), с той разницей, что в случае, если семафоркмоментуеевызоваужебылзаблокирован,pthread_mutex_trylock() не приостанавливает нить, а сразувозвращает значение EBUSY.
Таким образом, нить можетпродолжить работу и повторить попытку заблокировать семафор ивойти в критическую секцию позднее.6.3.3 Снятие блокировкиДля освобождения двоичного семафора служит функция:#include <pthread.h>int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);Ее единственным параметром является указатель на семафор.Функция освобождает семафор, и если существует нить, ранееприостановленная при попытке заблокировать его, то такая нитьвозобновит выполнение и сможет завершить свою операцию. Еслиожидающих освобождения семафора нитей было несколько,выбирается одна из них.145Отметим, что обе операции блокировки и освобождениясемафора являются атомарными, что, как указывалось ранее,является необходимым условием корректной работы двоичногосемафора.6.3.4 Уничтожение семафораДля уничтожения объекта-семафора служит функция:#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);К моменту ее вызова семафор должен находиться в состоянии«свободен».Пример 29.
Общаясемафоров.схемаиспользованиядвоичныхОбщая схема использования двоичных семафоров дляреализации взаимного исключения приведена ниже. Для упрощениявсе не относящиеся к делу моменты в этом примере опущены.#include <pthread.h>pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/* глобальная переменная, к которой может обращатьсялюбая нить */void * thread_f(void *arg) {/* функция нити *//* … */pthread_mutex_lock(&mutex); // вход в КС/* работа в критической секции */pthread_mutex_unlock(&mutex); // выход из КС/* … */}/* … */int main(int argc, char *argv[]){/* создание нитей и др. */}1466.4 Условные переменныеУсловная переменная позволяет нити дождаться наступлениятого или иного логического условия, необходимого ей дляпродолжения работы.
Она представляет собой синхронизационныйобъект, используемый совместно с двоичным семафором. Какправило, семафор контролирует доступ к разделяемым данным, аусловная переменная позволяет нити дождаться, пока эти данныеперейдут в нужное состояние.Можно сказать, что область применения условныхпеременных – это «крупноструктурные» задачи синхронизации, вкоторых нить может ожидать наступления нужного условия втечение относительно долгого времени. Семафоры же используютсядля «локальных» задач синхронизации и должны блокироваться накороткие промежутки времени.Совместное использование семафора и условной переменнойпроисходит следующим образом:1.
перед обращениемблокирует семафор;кразделяемымданнымнить2. войдя в критическую секцию, нить проверяет, находятсяли данные в требуемом ей состоянии. Если это не так,нить приостанавливается и ждет сигнала на условнойпеременной, при этом ранее заблокированный еюсемафор автоматически освобождается.
Это оченьважный момент, поскольку, очевидно, привести данныев требуемое состояние может лишь другая нить, а длятого, чтобы это осуществить, ей необходим будет доступк разделяемым данным, который охраняется семафором;3. когда другая нить приведет данные в требуемоесостояние, она подает сигнал на условной переменной.Получив сигнал на условной переменной, ранееприостановленная нить пробуждается и может закончитьсвои действия.
При этом первым делом пробудившаясянить вновь блокирует семафор, т.к. она должнапродолжить работу в своей критической секции, инеобходимо обеспечить взаимное исключение.Далеебудетрассмотренприведенную схему работы.147пример,иллюстрирующий6.4.1 Создание условной переменнойДля представления условной переменной служит тип данныхpthread_cond_t.Для создания условной переменной служитфункция:#include <pthread.h>int pthread_cond_init(pthread_cond_tpthread_condattr_t *condattr);*cond,constФункция инициализирует условную переменную, адрескоторой указан в первом аргументе.
Как и для нити и семафора,предполагается использование набора атрибутов условнойпеременной, однако никаких конкретных атрибутов стандарт неописывает, и обычно вместо второго аргумента передается NULL:#include <pthread.h>pthread_cond_t cond;pthread_cond_init(&cond, NULL);Аналогично двоичному семафору, имеется упрощенныйспособ создания условной переменной с использованиемпредопределенного статического инициализатора:#include <pthread.h>pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;6.4.2 Ожидание на условной переменнойУсловнаяпеременнаясвязываетсяснаступлениемопределенного условия в программе. Нить должна самостоятельнопроверить истинность этого условия, и если оно не выполняется,нить обращается к функции ожидания на условной переменной:#include <pthread.h>int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);При этом выполнение нити приостанавливается до тех пор,пока какая-либо другая нить не подаст сигнал на данной условнойпеременной.
Отметим, что в качестве второго аргумента в функциюпередается семафор, охраняющий критическую секцию, в которой вданный момент находится нить. Этот семафор автоматическиразблокируется, чтобы дать возможность другой нити войти вкритическую секцию и подготовить условие для ожидающей нити.Важно также то, что вся операция, включая приостановку нитии освобождение семафора, является атомарной.148Когда некоторая другая нить подаст сигнал на условнойпеременной, семафор, переданный во втором параметре функции,будет вновь автоматически заблокирован, и после этого функциявернет управление, позволив тем самым нити продолжить работу сразделяемыми данными.
Эта операция возобновления выполнениянити и блокирования семафора тоже является атомарной.Существует также возможность задать предельный срокожидания на условной переменной. Для этого служит функция:#include <pthread.h>intpthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec*abstime);Эта функция аналогична предыдущей, за исключением того,что в третьем аргументе передается структура, описывающаяпредельный промежуток времени для ожидания.
Если за указанныйсрок сигнала на условной переменной не поступило, указанный вовтором аргументе семафор блокируется вновь, и функциявозвращает значение ETIMEDOUT.6.4.3 Разблокирование условной переменнойКогда некоторая другая нить приводит разделяемые данные всостояние, соответствующее условной переменной, она должнаподать сигнал на этой переменной:#include <pthread.h>int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);Если на условной переменной ожидает сигнала некая нить, еевыполнение возобновляется.
Если наступления сигнала на условнойпеременной ожидали несколько нитей, пробуждается лишь одна изних.Существует возможность возобновить выполнение сразу всехнитей, ожидавших наступления условия. Для этого служит функция:#include <pthread.h>int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);Если наступления условия не ожидала ни одна нить, обе этифункции ничего не делают.6.4.4 Уничтожение условной переменнойДля уничтожения условной переменной служит функция:149#include <pthread.h>int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);К моменту ее вызова на условной переменной не должнаожидать сигнала ни одна нить.Пример 30. Совместноеиспользованиесемафоров и условных переменных.двоичныхДанныйпримерпредставляетсобоймногонитевуюреализацию задачи из Пример 27: одна из создаваемых нитейсчитывает строки со стандартного ввода и записывает вразделяемый буфер, а другая – считывает данные из буфера ивыводит на стандартный вывод.Отметим, что поскольку нити работают в общем адресномпространстве, использования разделямой памяти в данном случае нетребуется.
Однако, буфер является критическим разделяемымресурсом, доступ к которому необходимо контролировать. Для этогоиспользуетсядвоичныйсемафор.Условнаяпеременнаясоответствует наличию в буфере данных, еще не обработанныхнитью-читателем (о том, что это условие выполнено, говоритзначение переменной msglen, отличное от нуля). Если условие невыполнено, нить-читатель приостанавливается и ожидает сигнала наусловной переменной. Считав данные, она затем обнуляет msglen.Нить-писатель, в свою очередь, может записывать данные,когда значение msglen равно нулю. Заполнив буфер и установивзначение переменной msglen равным длине фактически записанныхв буфер данных, она сигнализирует на условной переменной.Завершение работы происходит, когда нить-писательобнаружит признак конца файла.
Она записывает последниесчитанные данные в буфер, после чего завершается. Основная нитьпроцесса ожидает завершения нити-писателя и устанавливаетпеременную done в единицу для указания нити-читателю о том, чтопосле считывания последней порции данных ей тоже необходимозавершить свою работу.Отметим, что переменная msglen тоже является критическимресурсом, поэтому вся работа с ней происходит только в рамкахкритических секций, т.е. после блокировки семафора и до егоосвобождения.#include <stdio.h>#include <pthread.h>#define NMAX256 // размер буфера150pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;// описываем и сразу инициализируем семафорpthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;/* описываем и сразу инициализируем «поумолчанию» условную переменную */char msgbuf[NMAX]; // разделяемый буферint msglen = 0, // признак пустоты/заполнения буфераdone; // признак завершения работыvoid *reader_thread(void *arg) { /* нить, читающаястроки из разделяемого буфераи выводящая настандартный вывод */pthread_t tid = pthread_self();while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex); // вход в КСif (!msglen) { // условие не выполненоpthread_cond_wait(&cond, &mutex);/* ожидаем на условной переменной */if (done) { // пора завершатьсяpthread_mutex_unlock(&mutex);/* выход из КС */printf("threadtid);%ulexits...\n",pthread_exit(NULL);return NULL;}}printf("thread %ul received: %s \n",tid, msgbuf); /* печатаем полученныеданные */msglen = 0; /* признак того, чтоданные считаны */pthread_mutex_unlock(&mutex);/* выход из КС */}pthread_mutex_unlock(&mutex); /* выход из КС */printf("thread %ul exits...\n", tid);151return NULL;}void *writer_thread(void *arg) { /* нить, читающаястроки со стандартного ввода и записывающая вразделяемый буфер */pthread_t tid = pthread_self();while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex); // вход в КСif (!msglen) { // можно писать в буфер/* считываем строку */if (!fgets(msgbuf, NMAX - 1, stdin))break;msglen = strlen(msgbuf) + 1;/* устанавливаем в msglen длину буфера */pthread_cond_signal(&cond);/* сигнализируем на условной переменной */}pthread_mutex_unlock(&mutex);// выход из КС}pthread_mutex_unlock(&mutex); // выход из КСprintf("thread %ul exits...\n", tid);return NULL;}int main(int argc, char* argv[]){pthread_t reader_tid, writer_tid;pthread_attr_t attr;/* заполняем набор атрибутов нитей */pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_setdetachstate(&attr,PTHREAD_CREATE_JOINABLE);/* создаем нити */pthread_create(&reader_tid, &attr,reader_thread, (void *)0);152printf("reader thread %ul created...\n",reader_tid);pthread_create(&writer_tid, &attr,writer_thread, (void *)0);printf("writer thread %ul created...\n",writer_tid);/* ожидаем завершения нити-писателя */if (! pthread_join(writer_tid, NULL) ) {done=1;/*завешения для нити-читателя...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
