Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

Эффективность методики блокирования (вхождение в раздел) и разблокирования (выход из раздела) объекта CRITICAL_SECTION объясняется тем, что тестирование объекта CS выполняется в пользовательском пространстве без использования системных вызовов ядра, как это требуется в случае мьютексов. Снятие блокировки раздела также выполняется полностью в пространстве пользователя, в отличие от функции ReleaseMutex, которая требует использования системного вызова. Объекты CS работают следующим образом:

• Поток, выполняющий функцию EnterCriticalSection (ECS), непрерывно тестирует бит блокировки объекта CS. Если обнаруживается, что бит выключен (объект разблокирован), ECS автоматически устанавливает его, выполняя эту операцию как часть инструкций тестирования, и продолжает дальнейшее выполнение уже без какого-либо ожидания. Поэтому блокирование разблокированного объекта CS осуществляется чрезвычайно эффективным образом и требует, как правило, всего лишь одной или двух машинных команд. Идентификационные данные владеющего потока, а также рекурсивный счетчик поддерживаются структурой данных объекта CS.

• Если обнаруживается, что объект CS блокирован, ECS входит в жесткий цикл (tight loop) на SMP-системах и выполняет многократное тестирование бита блокировки, не уступая процессора (разумеется, поток может быть вытеснен). Количество повторений цикла, после выполнения которых ECS прекращает дальнейшее тестирование, определяется значением спин-счетчика CS. В однопроцессорных системах тестирование прекращается немедленно; спин-счетчики используются лишь в случае SMP-систем.

• Как только ECS прекращает тестирование бита блокировки (в случае однопроцессорных систем это происходит немедленно), она входит в ядро, и поток переводится в состояние ожидания. Следовательно, блокирование объектов CS оказывается эффективным лишь в условиях низкой состязательности между потоками или когда спин-счетчик предоставляет другому процессору время для разблокирования CS.

• Функция LeaveCriticalSectibn реализуется путем выключения бита блокировки после проверки того, что вызывающий поток действительно является владельцем CS. Кроме того, ядро должно быть также уведомлено о том, существуют ли еще другие ожидающие потоки, для чего используется функции ReleaseSemaphore.

Таким образом, в случае однопроцессорных систем объекты CS эффективны тогда, когда высока вероятность их разблокирования, что иллюстрирует вариант CS программы 9.1. Преимущества SMP-систем обусловлены тем фактом, что пока ожидающий поток выполняет цикл ожидания, управляемый спин-счетчиком, объект CS может оказаться разблокированным потоком, выполняющимся на другом процессоре.

Далее будет показано, как устанавливать значения спин-счетчиков и настраивать приложения путем выбора наиболее оптимальных значений. Еще раз подчеркнем, что спин-счетчики оказываются полезными лишь в случае SMP-систем; на однопроцессорных системах они не используются.

Спин-счетчики CS могут устанавливаться на стадии инициализации объектов CS или динамическим путем. В первом случае функция InitializeCriticalSection заменяется функцией InitializeCriticalSectionAndSpinCount, в которой добавлен параметр счетчика. В то же время, способа, позволяющего считать значение спин-счетчика, не существует.

VOID InitializeCriticalSectionAndSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwCount)

Значение спин-счетчика можно в любой момент изменить.

VOID SetCriticalSectionSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwCount)

В документации Microsoft говорится о том, что рекомендуемым для управления кучей значением спин-счетчика является 4000. Однако оптимальное значение зависит от свойств приложения, и поэтому спин-счетчики должны настраиваться индивидуально для каждого приложения, выполняющегося в реалистическом SMP-окружении. Наилучшее значение будет различным в зависимости от количества процессоров, характера приложения и тому подобного.

На Web-сайте книги находится программа TimedMutualExclusionSC. Эта программа представляет собой видоизмененный вариант уже знакомой вам программы TimedMutualExclusion, в котором значение спин-счетчика указания в качестве параметра командной строки. Вы можете запустить эту программу на своей машине для приблизительной оценки того, какое значение спин-счетчика будет наиболее приемлемым для выполнения того или иного из вариантов тестовых программ на доступных вам SMP-системах, что и предлагается сделать в упражнении 9.2.

Слишком большое количество потоков, соревнующихся между собой за право владения единственным ресурсом, например, мьютексом или объектом CS, могут стать причиной снижения производительности как в однопроцессорных, так и в многопроцессорных системах. В большинстве случаев негативное влияние некоторых факторов на производительность может быть сведено к минимуму за счет использования спин-счетчиков, тщательного выбора типа объектов синхронизации или перестройки структуры программы с целью увеличения степени детализации блокировок и длительности периодов блокирования.

Если ни один из этих методов не дает желаемого улучшения, то могло бы показаться, что нет иного выхода, кроме как уменьшить количество потоков, но при этом вы будете вынуждены заставлять одиночные потоки мультиплексировать те операции, которые естественнее было бы распределить между несколькими потоками. Выход из этой ситуации обеспечивают семафоры, которые дают возможность сохранить естественную многопоточную модель, но вместе с тем свести к минимуму количество активных потоков, конкурирующих между собой. Такое решение является концептуально простым, и его можно без труда включить в любую существующую прикладную программу, например TimedMutualExclusion. В системе "хозяин/рабочий" решение, носящее название "дросселя" семафора (semaphore throttle), использует следующую методику:

• Главный поток создает семафор с небольшим, например 4, максимальным значением параметра, представляющего максимально допустимое количество активных потоков, которое, например, можно принимать равным количеству процессоров, установленных в системе, для обеспечения приемлемой производительности. Начальное значение счетчика семафора также следует установить равным максимальному значению. Это число можно сделать параметром и подбирать его оптимальное значение экспериментальным путем так же, как и в случае спин-счетчиков. Другим возможным значением этого параметра может служить количество процессоров, которое может быть определено во время выполнения программы (см. следующий раздел).