Введение в многопоточность

Введение

В статье рассматриваются методы синхронизации потоков одного или нескольких процессов. Все методы основаны на создании специальных объектов синхронизации. Эти объекты характеризуются состоянием. Различают сигнальное и несигнальное состояние. В зависимости от состояния объекта синхронизации один поток может узнать об изменении состояния других потоков или общих (разделяемых) ресурсов.

Небольшое замечание: функция _beginthread, используемая в примерах, может быть заменена соответствующим эквивалентом MFC (AfxBeginThread) или аналогичной в других диалектах языка С.

Несинхронизированные потоки

Первый пример иллюстрирует работу с несинхронизированными потоками. Основной цикл, который является основным потоком процесса, выводит на экран содержимое глобального массива целых чисел. Поток, названный "Thread", непрерывно заполняет глобальный массив целых чисел.

  #include <process.h>
  #include <stdio.h>
  
  int a[ 5 ];
  
  void Thread( void* pParams )
  { int i, num = 0;
  
    while ( 1 )
    { 
       for ( i = 0; i < 5; i++ ) a[ i ] = num;
       num++;
    }
  }
  
  int main( void )
  { 
     _beginthread( Thread, 0, NULL );
  
     while( 1 )
        printf("%d %d %d %d %d\n", 
               a[ 0 ], a[ 1 ], a[ 2 ],
               a[ 3 ], a[ 4 ] );
  
   return 0;
  }

Как видно из результата работы процесса, основной поток (сама программа) и поток Thread действительно работают параллельно (красным цветом обозначено состояние, когда основной поток выводит массив во время его заполнения потоком Thread):

Запустите программу, затем нажмите "Pause" для остановки вывода на дисплей (т.е. приостанавливаются операции ввода/вывода основного потока, но поток Thread продолжает свое выполнение в фоновом режиме) и любую другую клавишу для возобновления выполнения.

Критические секции

А что делать, если основной поток должен читать данные из массива после его обработки в параллельном процессе? Одно из решений этой проблемы - использование критических секций.

Критические секции обеспечивают синхронизацию подобно мьютексам (о мьютексах см. далее) за исключением того, что объекты, представляющие критические секции, доступны в пределах одного процесса. События, мьютексы и семафоры также можно использовать в "однопроцессном" приложении, однако критические секции обеспечивают более быстрый и более эффективный механизм взаимно-исключающей синхронизации. Подобно мьютексам объект, представляющий критическую секцию, может использоваться только одним потоком в данный момент времени, что делает их крайне полезными при разграничении доступа к общим ресурсам. Трудно предположить что-нибудь о порядке, в котором потоки будут получать доступ к ресурсу, можно сказать лишь, что система будет "справедлива" ко всем потокам.

  #include <windows.h>
  #include <process.h>
  #include <stdio.h>
  
  CRITICAL_SECTION cs;
  int a[ 5 ];
  
  void Thread( void* pParams )
  {
    int i, num = 0;
  
    while ( TRUE )
    {
       EnterCriticalSection( &cs );
       for ( i = 0; i < 5; i++ ) a[ i ] = num;
       LeaveCriticalSection( &cs );
       num++;
    }
  }
  
  int main( void )

  { 
    InitializeCriticalSection( &cs );
    _beginthread( Thread, 0, NULL );
  
    while( TRUE )
    {
       EnterCriticalSection( &cs );
       printf( "%d %d %d %d %d\n", 
               a[ 0 ], a[ 1 ], a[ 2 ],
               a[ 3 ], a[ 4 ] );
       LeaveCriticalSection( &cs );
    }
    return 0;
  }

Мьютексы (взаимоисключения)

Мьютекс (взаимоисключение, mutex) - это объект синхронизации, который устанавливается в особое сигнальное состояние, когда не занят каким-либо потоком. Только один поток владеет этим объектом в любой момент времени, отсюда и название таких объектов - одновременный доступ к общему ресурсу исключается. Например, чтобы исключить запись двух потоков в общий участок памяти в одно и то же время, каждый поток ожидает, когда освободится мьютекс, становится его владельцем и только потом пишет что-либо в этот участок памяти. После всех необходимых действий мьютекс освобождается, предоставляя другим потокам доступ к общему ресурсу.

Два (или более) процесса могут создать мьютекс с одним и тем же именем, вызвав метод CreateMutex. Первый процесс действительно создает мьютекс, а следующие процессы получают хэндл уже существующего объекта. Это дает возможность нескольким процессам получить хэндл одного и того же мьютекса, освобождая программиста от необходимости заботиться о том, кто в действительности создает мьютекс. Если используется такой подход, желательно установить флаг bInitialOwner в FALSE, иначе возникнут определенные трудности при определении действительного создателя мьютекса.

Несколько процессов могут получить хэндл одного и того же мьютекса, что делает возможным взаимодействие между процессами. Вы можете использовать следующие механизмы такого подхода:

• Дочерний процесс, созданный при помощи функции CreateProcess может наследовать хэндл мьютекса в случае, если при его (мьютекса) создании функией CreateMutex был указан параметр lpMutexAttributes.
• Процесс может получить дубликат существующего мьютекса с помощью функции DuplicateHandle.
• Процесс может указать имя существующего мьютекса при вызове функций OpenMutex или CreateMutex.

Вообще говоря, если вы синхронизируете потоки одного процесса, более эффективным подходом является использование критических секций.

  #include <windows.h>
  #include <process.h>
  #include <stdio.h>
  
  HANDLE hMutex;
  int a[ 5 ];
  
  void Thread( void* pParams )
  { 
     int i, num = 0;
  
     while ( TRUE )
     { 
        WaitForSingleObject( hMutex, INFINITE );
        for ( i = 0; i < 5; i++ ) a[ i ] = num;
        ReleaseMutex( hMutex );
        num++;
     }
  }
  
  int main( void )
  {
     hMutex = CreateMutex( NULL, FALSE, NULL );
     _beginthread( Thread, 0, NULL );
  
     while( TRUE )

     {
        WaitForSingleObject( hMutex, INFINITE );
        printf( "%d %d %d %d %d\n", 
                a[ 0 ], a[ 1 ], a[ 2 ],
                a[ 3 ], a[ 4 ] );
        ReleaseMutex( hMutex );
     }
     return 0;
  }

События

А что, если мы хотим, чтобы в предыдущем примере второй поток запускался каждый раз после того, как основной поток закончит печать содержимого массива, т.е. значения двух последующих строк будут отличаться строго на 1?

Событие - это объект синхронизации, состояние которого может быть установлено в сигнальное путем вызова функций SetEvent или PulseEvent. Существует два типа событий:

События полезны в тех случаях, когда необходимо послать сообщение потоку, сообщающее, что произошло определенное событие. Например, при асинхронных операциях ввода и вывода из одного устройства, система устанавливает событие в сигнальное состояние когда заканчивается какая-либо из этих операций. Один поток может использовать несколько различных событий в нескольких перекрывающихся операциях, а затем ожидать прихода сигнала от любого из них.

Поток может использовать функцию CreateEvent для создания объекта события. Создающий событие поток устанавливает его начальное состояние. В создающем потоке можно указать имя события. Потоки других процессов могут получить доступ к этому событию по имени, указав его в функции OpenEvent.

Поток может использовать функцию PulseEvent для установки состояния события в сигнальное и затем сбросить состояние в несигнальное после освобождения соответствующего количества ожидающих потоков. В случае объектов с ручным сбросом освобождаются все ожидающие потоки. В случае объектов с автоматическим сбросом освобождается только единственный поток, даже если этого события ожидают несколько потоков. Если ожидающих потоков нет, PulseEvent просто устанавливает состояние события в несигнальное.

  #include <windows.h>
  #include <process.h>
  #include <stdio.h>
  
  HANDLE hEvent1, hEvent2;
  int a[ 5 ];
  
  void Thread( void* pParams )
  {
     int i, num = 0;

     while ( TRUE )
     {
        WaitForSingleObject( hEvent2, INFINITE );
        for ( i = 0; i < 5; i++ ) a[ i ] = num;
        SetEvent( hEvent1 );
        num++;
     }
  }
  
  int main( void )
  {
     hEvent1 = CreateEvent( NULL, FALSE, TRUE, NULL );
     hEvent2 = CreateEvent( NULL, FALSE, FALSE, NULL );
  
     _beginthread( Thread, 0, NULL );
  
     while( TRUE )
     { 
        WaitForSingleObject( hEvent1, INFINITE );
        printf( "%d %d %d %d %d\n", 
                a[ 0 ], a[ 1 ], a[ 2 ],
                a[ 3 ], a[ 4 ] );
        SetEvent( hEvent2 );
     }
     return 0;
  }

Сравнение объектов синхронизации

В MSDN News за июль/август 1998г. есть статья об объектах синхронизации. Следующая таблица взята из этой статьи: