Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

• До сих пор мы фактически рассматривали работу семафора в бинарном режиме. Для большого количества задач именно такой режим семафора и является основным. Однако возможности счетного семафора, позволяющего контролировать количество обращений, допускают его применение в весьма специфических задачах, где другие средства синхронизации требуют от программиста дополнительной работы.

Проиллюстрируем работу счетного семафора. Предположим, нам надо синхронизировать работу двух потоков так, чтобы один из них всегда шел «вслед» за другим, то есть выполнял некие циклические операции только после их выполнения первым потоком. Для реализации этой схемы нам понадобится семафор, инициализированный нулевым значением.

Поток А Поток В

while (true) while (true)

{ {

/* работа A; */ /* sem_wait(&sem); */

sem_post(&sem); работа B;

} }

Поток А в каждом цикле увеличивает счетчик семафора на 1, а поток В в свою очередь стремится «выбрать слабину» и в каждом цикле уменьшает этот счетчик на единицу до тех пор, пока он не достигнет нуля. Вне зависимости от приоритетов, дисциплины диспетчеризации или любых источников блокировки потоков поток В будет «следовать» за потоком А и выполнять не больше циклов, чем его «ведущий» поток.

Всеми этими примерами мы хотели показать главную особенность семафора: любой поток может менять его состояние (внутренний счетчик), тем самым делая это элемент синхронизации идеальным средством управления порядком выполнения потоков. Семафор является идеальным инструментом для построения собственных средств планирования (диспетчеризации) выполнения потоков вашей системы. Стандарт POSIX предусматривает наличие специальных «именованных» семафоров, к которым может обращаться любой поток, принадлежащий любому процессу, выполняющемуся в системе, а в ОС QNX к семафорам может обращаться и любой поток любого процесса во всей сети QNX. Таким образом, семафор позволяет осуществлять планирование выполнения задач даже для вашей распределенной сетевой системы.

Ниже мы приводим краткое описание функций работы как с неименованными, так и с именованными семафорами, реализованными в ОС QNX. Функции работы с семафорами объявлены в заголовочном файле . Если для работы какой-либо функции необходимы дополнительные заголовочные файлы, они будут указываться явно.

QNX поддерживает два типа семафоров — неименованные и именованные. Разница между ними заключается в том, что к именованному семафору можно обратиться из любого процесса в системе (или даже по сети QNET с другого сетевого хоста), поскольку такой семафор имеет ассоциированное с ним имя в файловой системе QNX. Необходимо помнить, что именованные семафоры, при прочих равных условиях, медленнее и требуют для своей работы запущенного в системе менеджера очередей сообщений POSIX (mqueue).

Для каждого типа семафоров существует своя группа функций, применение которых не должно смешиваться.

sem_init()и sem_destroy()— создание и разрушение неименованного семафора. При создании указывается параметр доступа из других потоков и начальное значение счетчика семафора. С неинициализированным семафором никаких операций проводить нельзя (это общее правило справедливо и для всех иных примитивов синхронизации). После разрушения семафора его необходимо повторно инициализировать для использования.

Обе функции возвращают 0 в случае успеха и -1 в случае ошибки. Код ошибки записывается в переменной errno. В частности, функция sem_init()может сигнализировать о следующих ошибках выполнения:

EAGAIN— в данный момент нет ресурсов для инициализации семафора;

EINVAL— начальное значение счетчика превышает SEM_VALUE_MAX;

EPERM— у процесса недостаточно привилегий для инициализации семафора;

ENOSPC— ресурсы, необходимые для инициализации, исчерпаны;

ENOSYS— функция sem_init()не поддерживается реализацией системы.

При вызове функции sem_destroy()может регистрироваться только одна ошибка:

EINVAL— неправильный описатель семафора.

sem_open()и sem_close()— открытие и закрытие именованного семафора (если отсутствует ранее созданный семафор с таким именем, то его создание). В вопросе подключения и отключения работа с именованным семафором аналогична работе с обычным файлом. Также для именованных семафоров существует операция sem_unlink(), аналогичная операции unlink()для обычного файла. В функцию sem_open()передается имя семафора, параметры открытия семафора и дополнительные параметры в случае создания семафора.

Для семафора определены три модификации операции блокировки:

int sem_wait(sem_t* sem);

int sem_trywait(sem_t* sem);

#include

int sem_timedwait(sem_t* sem, const struct timespec * abs_timeout);

Все эти функции опираются на функцию (native QNX API):

int SyncSemWait(sync_t* sync, int try);

Функция простого ожидания sem_wait()пытается выполнить декремент счетчика семафора. Если исходное значение счетчика было больше или равно 1, то функция после выполнения операции декремента возвращает управление в вызвавший код. Если же значение внутреннего счетчика семафора равнялось 0, выполнение вызвавшего функцию потока блокируется до тех пор, пока какой-либо другой поток не увеличит значение счетчика семафора. После того как значение счетчика будет увеличено, блокированный поток получает управление (в порядке очереди), выполняет (завершает) декремент счетчика семафора и возвращает управление. Блокированное состояние потока может быть также прервано получением направленного ему сигнала (см. главу 3).

Функция ожидания с проверкой семафора, sem_trywait(), до выполнения операции над семафором проверяет значение счетчика. Если это значение больше нуля, функция выполняет декремент счетчика, а если значение равно нулю - возвращает управление потоку, не блокируясь на ожидании доступности семафора (но захват семафора в этом случае не происходит, о чем извещает код возврата).

Функция ожидания с тайм-аутом, sem_timedwait(), ожидает возможности уменьшить на 1 счетчик семафора (блокируется на ожидании) до момента времени abs_timeout. Это ожидание реализовано с помощью функции TimerTimeout()(native QNX API) с параметром SIGEV_UNBLOCK. Благодаря этой функции может быть прерван ряд состояний блокировки потоков (в том числе блокировки на семафоре, мьютексе и условной переменной).

int sem_post(sem_t* sem);

Эта операция увеличивает на единицу (инкремент) внутренний счетчик семафора, и в этом она диаметрально противоположна операции блокировки. Если перед этим значение счетчика семафора было равно 0, то один из потоков, ожидающих разблокирования семафора, переходит в состояние готовности. Из списка ожидающих потоков система выбирает самый приоритетный, а если таких несколько, то поток, дольше всех ждавший из очереди наиболее приоритетных потоков.