Марк Митчелл - Программирование для Linux. Профессиональный подход

■ Функция thread_function()в цикле проверяет флаг. Если он не установлен, поток переходит в режим ожидания сигнальной переменной.

■ Функция set_thread_flag()устанавливает флаг и сигнализирует об изменении условной переменной. Если функция thread_function()была заблокирована в ожидании сигнала, она разблокируется и снова проверяет флаг.

Но существует одна проблема: возникает гонка между операцией проверки флага и операцией сигнализирования или ожидания сигнала. Предположим, что функция thread_function()проверяет флаг и обнаруживает, что он не установлен. В этот момент планировщик Linux прерывает выполнение данного потока и активизирует главную программу. По стечению обстоятельств программа как раз находится в функции set_thread_flag(). Она устанавливает флаг и сигнализирует об изменении условной переменной. Но поскольку в данный момент нет потока, ожидающего получения этого сигнала (вспомните, что функция thread_function()была прервана перед тем, как перейти в режим ожидания), сигнал окажется потерян. Когда Linux вновь активизирует дочерний поток, он начнет ждать сигнал, который, возможно, никогда больше не придет.

Чтобы избежать этой проблемы, необходимо одновременно захватить и флаг, и сигнальную переменную с помощью исключающего семафора. К счастью, в Linux это предусмотрено. Любая сигнальная переменная должна использоваться совместно с исключающим семафором для предотвращения состояния гонки. Наша потоковая функция должна следовать такому алгоритму:

■ В цикле необходимо захватить исключающий семафор и прочитать значение флага.

■ Если флаг установлен, нужно разблокировать семафор и выполнить требуемые действия.

■ Если флаг не установлен, одновременно выполняются операции освобождения семафора и перехода в режим ожидания сигнала.

Вся суть заключена в третьем этапе, на котором Linux позволяет выполнить атомарную операцию освобождения исключающего семафора и перехода в режим ожидания сигнала. Вмешательство других потоков при этом не допускается.

Сигнальная переменная имеет тип pthread_cond_t. Не забывайте о том, что каждой такой переменной должен быть сопоставлен исключающий семафор. Ниже перечислены функции, предназначенные для работы с сигнальными переменными.

■ Функция pthread_cond_init()инициализирует сигнальную переменную. Первый ее аргумент — это указатель на объект типа pthread_cond_t. Второй аргумент (указатель на объект атрибутов сигнальной переменной) игнорируется в Linux. Исключающий семафор должен инициализироваться отдельно, как описывалось в разделе 4.4.2, "Исключающие семафоры".

■ Функция pthread_cond_signal()сигнализирует об изменении переменной. При этом разблокируется один из потоков, находящийся в ожидании сигнала. Если таких потоков нет, сигнал игнорируется. Аргументом функции является указатель на объект типа pthread_cond_t.

Похожая функция pthread_cond_broadcast()разблокирует все потоки, ожидающие данного сигнала.

■ Функция pthread_cond_wait()блокирует вызывающий ее поток до тех пор, пока не будет получен сигнал об изменении заданной переменной. Первым ее аргументом является указатель на объект типа pthread_cond_t. Второй аргумент — это указатель на объект исключающего семафора (тип pthread_mutex_t).

В момент вызова функции pthread_cond_wait()исключающий семафор уже должен быть захвачен вызывающим потоком. Функция в рамках единой "транзакции" освобождает семафор и блокирует поток в ожидании сигнала. Когда поступает сигнал, функция разблокирует поток и автоматически захватывает семафор.

Перечисленные ниже этапы должны выполняться всякий раз, когда программа тем или иным способом меняет результат проверки условия, контролируемого сигнальной переменной (в нашей программе условие — это значение флага):

1. Захватить исключающий семафор, дополняющий сигнальную переменную.

2. Выполнить действие, включающее изменение результата проверки условия (в нашем случае — установить флаг).

3. Послать сигнал (возможно, широковещательный) об изменении условия.

4. Освободить исключающий семафор.

В листинге 4.14 показана измененная версия предыдущего примера, в которой на этот раз флаг защищается сигнальной переменной. Обратите внимание на то, что в функции thread_function()исключающий семафор захватывается до того, как будет проверено значение переменной thread_flag. Захват автоматически снимается функцией pthread_cond_wait()перед тем, как поток оказывается заблокированным, и также автоматически восстанавливается по завершении функции:

#include

int thread_flag;

pthread_cond_t thread_flag_cv;

pthread_mutex_t thread_flag_mutex;

void initialize_flag() {

/* Инициализация исключающего семафора и сигнальной

переменной. */

pthread_mutex_init(&thread_flag_mutex, NULL);

pthread_cond_init(&thread_flag_cv, NULL);

/* Инициализация флага. */

thread_flag = 0;

}

/* Если флаг установлен, многократно вызывается функция

do_work(). В противном случае поток блокируется. */

void* thread_function(void* thread_arg) {

/* Бесконечный цикл. */

while (1) {

/* Захватываем исключающий семафор, прежде чем обращаться

к флагу. */

pthread_mutex_lock(&thread_flag_mutex);

while (!thread_flag)

/* Флаг сброшен. Ожидаем сигнала об изменении условной

переменной, указывающего на то, что флаг установлен.

При поступлении сигнала поток разблокируется и снова

проверяет флаг. */

pthread_cond_wait(&thread_flag_cv, &thread_flag_mutex);

/* При выходе из цикла освобождаем исключающий семафор. */

pthread_mutex_unlock(&thread_flag_mutex);

/* Выполняем требуемые действия. */

do_work();

}

return NULL;

}

/* Задаем значение флага равным FLAG_VALUE. */

void set_thread_flag(int flag_value) {

/* Захватываем исключающий семафор, прежде чем изменять

значение флага. */

pthread_mutex_lock(&thread_flag_mutex);

/* Устанавливаем флаг и посылаем сигнал функции

thread_function(), заблокированной в ожидании флага.

Правда, функция не сможет проверить флаг, пока

исключающий семафор не будет освобожден. */

thread_flag = flag_value;

pthread_cond_signal(&thread_flag_cv);

/* освобождаем исключающий семафор. */

pthread_mutex_unlock(&thread_flag_mutex);

}

Условие, контролируемое сигнальной переменной, может быть произвольно сложным. Но перед выполнением любой операции, способной повлиять на результат проверки условия, необходимо захватить исключающий семафор, и только после этого можно посылать сигнал.