Параллельное и распределенное программирование на С++

Хьюз Камерон

я уведом

л

ения потоков о том, что произош

л

о событие.

Событийный мьютекс остается заблокированным потоком до тех пор, пока не будет получен соответствующий сигнал

Несколько условных переменных

Процессы или потоки

Аналогичен событийному мьютексу, но включает несколько событий или условий

Операционные системы, которые не противоречат спецификации Single UNIX Specification или стандарту POSIX Standard, поддерживают реализацию семафоров, которые являются частью библиотеки libpthread (соответствующие

функции объявлены в заголовке pthread. h).

Мьютексные семафоры

Стандарт POSIX определяет мьютексный семафор, используемый потоками и процессами, как объект типа pthread_mutex_t. Этот мьютекс обеспечивает базовые операции, необходимые для функционирования практического механизма синхронизации:

• инициализация;

• запрос на монопольное использование;

• отказ от монопольного использования;

• тестирование монопольного использования;

• разрушение.

Функции класса pthread_mutex_t, которые используются для выполнения этих базовых операций, перечислены в табл. 5.2. Во время инициализации выделяется память, необходимая для функционирования мьютексного семафора, и объекту семафора присваивается некоторое начальное значение. Для двоичного семафора начальным может быть значение 0 или 1. Начальным значением вычислительного семафора может быть неотрицательное число, которое представляет количество доступных ресурсных единиц. Семафорное значение можно использовать для представления предельного количества запросов, которое способна обработать программа в одном сеансе. В отличие от обычных переменных, в инициализации которых сомневаться не приходится, факт инициализации мьютекса с помощью вызова соответствующей функции гарантировать невозможно. Чтобы убедиться в том, что мьютекс проинициализирован, необходимо после вызова операции инициализации принять некоторые меры предосторожности (например, проверить значение, возвращаемое соответствующей мьютекс-ной функцией, или значение переменной errno). Системе не удастся создать мьютекс, если окажется, что занята память, предусмотренная ранее для мьютексов, или превышено допустимое количество семафоров, или семафор с данным именем уже существует, или же имеет место какая-то другая проблема, связанная с выделением памяти.

Таблица 5.2. Фу н кции класса pthread_mutex_t

Инициализация int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

pthread_mutex_t mutex =PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

Запрос на монопольное использование #include <pthread.h>

<time.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,

const struct timespec *restrict abs_timeout);

Отказ от монопольного использо вания int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

Тестирование монопольного использования int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

Разрушение int pthread_mutex_destroy(

pthread_mutex_t *mutex);

Подобно потокам, мьютекс библиотеки Pthread имеет атрибутный объект (он рассматривается ниже), который инкапсулирует все атрибуты мьютекса. Этот атрибутный объект можно передать функции инициализации, в результате чего будет создан мьютекс с атрибутами, заданными с помощью этого объекта. Если при инициализации атрибутный объект не используется, мьютекс будет инициализирован значениями, действую щ ими по умолчанию. Объект типа pthread_mutex_t инициализируется как деблокированный и закрытый. Закрытый мьютекс разделяется между потоками одно г о процесса. Разделяемый мьютекс совместно используется потоками нескольких процессов. При использовании атрибутов, действую щ их по умолчанию, мьютекс может быть

инициализирован статически для статических мьютексных объектов с помощью следующего макроса:

pthread_mutex_t Mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; ^[11]

Этот метод менее затратный, но в нем не предусмотрено проверки ошибок.

Мьютекс может иметь или не иметь владельца. Операция запроса на монопольное использование предоставляет право владения мьютексом вызывающему потоку или процессу. После того как мьютекс обрел владельца, поток (или процесс) получает монопольный доступ к запрашиваемому ресурсу. При попытке завладеть «уже занятым» мьютексом (путем вызова этой операции), совершенной любыми другими потоками или процессами, они будут заблокированы до тех пор, пока мьютекс не станет доступным. При освобождении мьютекса следующий (по очереди) поток или процесс (который был заблокирован) деблокируется и получает право собственности на этот мьютекс. И освободить его может только поток, получивший данный мьютекс во владение с помощью функции pthread_mutex_lock. Можно также использовать синхронизированную версию этой функции. В этом случае, если мьютекс несвободен, то процесс или поток будет ожидать в течение заданного промежутка времени. Если мьютекс за это время не освободится, то процесс или поток продолжит выполнение.

Операция тестирования монопольного использования предназначена для проверки доступности мьютекса. Если он занят, функция возвра щ ает соответствующее значение. Достоинство этой операции состоит в том, что поток или процесс (в случае недоступности мьютекса) не блокируется и может продолжать выполнение. Если же мьютекс свободен, вызывающему потоку или процессу предоставляется право владения запрашиваемым мьютексом.

При выполнении операции разрушения освобождается память, связанная с мьютексом. Память не освобождается, если у мьютекса есть владелец или если поток (или процесс) ожидают права на владение им.

Использование мьютексного атрибутного объекта

Мьютексный объект типа pthread_mutex_t можно использовать вместе с атрибутным объектом подобно атрибутно м у объекту потока. Мьютексный атрибутный объект инкапсулирует все атрибуты объекта м ьютекса. После инициализации его м огут использовать несколько м ьютексных объектов, передавал в качестве пара м етра функции pthread_mutex_init . Мьютексный атрибутный объект определяет ряд функций, используемых для установки таких атрибутов, как предельный приоритет, протокол и тип. Эти и другие функции м ьютексного атрибутного объекта перечислены в табл. 5.3.

Таблица 5.3. Функции доступа к мьютексному атрибу т ному объекту

Прототипы функций

Описание

int pthread_mutexattr_init (pthread_mutexattr_t * attr);

Инициализирует мьютексный атрибутный объект, заданный параметром attr, значениями, действующими по умолчанию для всех атрибутов, определяемых реализацией

int pthread_mutexattr_destroy (pthread_mutexattr_t * attr);

Разрушает мьютексный атрибутный объект, заданный параметром attr, в результате чего он становится неинициализированным. Его можно инициализировать повторно с помощью функции pthread_mutexattr_init

int pthread_mutexattr_setprioceiling (pthread_mutexattr_t * attr, int prioceiling);

Устанавливает и возвращает атрибут предельного приоритета мьютекса, заданного параметром attr. Параметр prioceiling содержит значение предельного приоритета мьютекса. Атрибут prioceiling определяет минимальный уровень приоритета, при котором еще выполняется критический раздел, защищаемый мьютексом. Значения, которые попадают в этот диапазон приоритетов, определяются стратегией планирования