События
Последним из рассматриваемых нами типов объектов синхронизации ядра являются события (events). Объекты события используются для того, чтобы сигнализировать другим потокам о наступлении какого-либо события, например, о появлении нового сообщения.
Важной дополнительной возможностью, обеспечиваемой объектами событий, является то, что переход в сигнальное состояние единственного объекта события способен вывести из состояния ожидания одновременно несколько потоков. Объекты события делятся на сбрасываемые вручную и автоматически сбрасываемые, и это их свойство устанавливается при вызове функции CreateEvent.
• Сбрасываемые вручную события (manual-reset events) могут сигнализировать одновременно всем потокам, ожидающим наступления этого события, и переводятся в несигнальное состояние программно.
• Автоматически сбрасываемые события (auto-reset event) сбрасываются самостоятельно после освобождения одного из ожидающих потоков, тогда как другие ожидающие потоки продолжают ожидать перехода события в сигнальное состояние.
События используют пять новых функций: CreateEvent, OpenEvent, SetEvent, ResetEvent и CreateEvent.
HANDLE CreateEvent(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa, BOOL bManualReset, BOOL bInitialState, LPTCSTR lpEventName)
Чтобы создать событие, сбрасываемое вручную, необходимо установить значение параметра bManualReset равным True. Точно так же, чтобы сделать начальное состояние события сигнальным, установите равным True значение параметра bInitialState. Для открытия именованного объекта события используется функция OpenEvent, причем это может сделать и другой процесс.
Для управления объектами событий используются следующие три функции:
BOOL SetEvent(HANDLE hEvent)
BOOL ResetEvent(HANDLE hEvent)
BOOL PulseEvent(HANDLE hEvent)
Поток может установить событие в сигнальное состояние, используя функцию SetEvent. Если событие является автоматически сбрасываемым, то оно автоматически возвращается в несигнальное состояние уже после освобождения только одного из ожидающих потоков. В отсутствие потоков, ожидающих наступления этого события, оно остается в сигнальном состоянии до тех пор, пока такой поток не появится, после чего этот поток сразу же освобождается. Заметьте, что таким же образом ведет себя семафор, максимальное значение счетчика которого установлено равным 1.
С другой стороны, если событие является сбрасываемым вручную, то оно остается в сигнальном состоянии до тех пор, пока какой-либо поток не вызовет функцию ResetEvent, указав дескриптор этого события в качестве аргумента. В это время все ожидающие потоки освобождаются, но до выполнения такого сброса события другие потоки могут как переходить в состояние его ожидания, так и освобождаться.
Функция PulseEvent освобождает все потоки, ожидающие наступления сбрасываемого вручную события, но после этого событие сразу же автоматически сбрасывается. В случае же использования автоматически сбрасываемого события функция PulseEvent освобождает только один ожидающий поток, если таковые имеются.
Примечание
Хотя в книгах многих авторов и даже в некоторых документах Microsoft (см. примечания в разделе MSDN, содержащем описание функции PulseEvent) рекомендуется избегать использования функции PulseEvent, лично я считаю эту функцию не только полезной, но и существенно важной, как это следует из обсуждения многочисленных примеров, приведенных в двух следующих главах.
Следует отметить, что функция PulseEvent становится полезной лишь после того, как сбрасываемое вручную событие установлено в сигнальное состояние с помощью функции SetEvent. Будьте внимательны, когда используете функцию WaitForMultipleObjects для ожидания перехода в сигнальное состояние всехсобытий. Ожидающий поток освободится только тогда, когда одновременно все события будут находиться в сигнальном состоянии, и некоторые из событий, находящихся в сигнальном состоянии, могут быть сброшены, прежде чем поток освободится.
В упражнении 8.5 вам предлагается изменить программу sortMT (программа 7.2) за счет использования в ней событий.
Переменные условий (condition variables) Pthreads в некоторой степени сравнимы с событиями, но используются в сочетании с мьютексами. Такой способ их использования в действительности является очень плодотворным и будет описан в главе 10. Для создания и уничтожения переменной условий используются, соответственно, системные вызовы pthread_cond_init и pthread_cond_destroy. Функциями ожидания являются pthread_cond_wait и pthread_cond_timedwait. Системный вызов pthread_cond_signal осуществляет возврат после освобождения одного ожидающего потока аналогично Windows-функции PulseEvent в случае автоматически сбрасываемых событий, тогда как вызов pthread_cond_broadcast сигнализирует всем ожидающим потокам, и поэтому его можно сопоставить функции PulseEvent, применяемой к сбрасываемому вручную событию. Эквивалентов функций PulseEvent и ResetEvent, используемых в случае сбрасываемых вручную событий, не существует.
Обзор: четыре модели использования событий
Комбинирование автоматически сбрасываемых и сбрасываемых вручную событий с функциями SetEvent и PulseEvent приводит к четырем различным способам использования событий. Каждая из четырех комбинаций уникальна и каждая из них оказывается полезной или даже необходимой в той или иной ситуации, так что все они будет соответствующим образом использованы в примерах и упражнениях, приведенных в этой и следующей главах.
Предостережение
Некорректное использование событий может привести к возникновению условий состязаний, взаимоблокировок и других тонких, трудно обнаруживаемых ошибок. В главе 10 описываются методики, применение которых является обязательным почти во всех случаях использования событий, за исключением самых тривиальных.
В табл. 8.1 описаны четыре возможные ситуации.
Таблица 8.1. Сводная таблица свойств событий
| Автоматически сбрасываемые события | Сбрасываемые вручную события | |
| SetEvent | Освобождается строго один поток. Если в этот момент ни один из потоков не ожидает наступления события, то поток, который первым перейдет в состояние ожидания следующих событий, будет сразу же освобожден. После этого событие немедленно автоматически сбрасывается. | Освобождаются все потоки, которые в настоящее время ожидают наступления события. Событие остается в сигнальном состоянии до тех пор, пока не будет сброшено каким-либо потоком. |
| PulseEvent | Освобождается строго один поток, но только в том случае, если имеется поток, ожидающий наступления события. | Освобождаются все потоки, которые в этот момент ожидают наступления события, если таковые имеются, после чего событие сбрасывается и переходит в несигнальное состояние. |
Образно говоря, автоматически сбрасываемое событие — это дверь, снабженная пружиной, которая обеспечивает автоматическое закрытие двери, в то время как вручную сбрасываемое событие можно уподобить двери, в которой пружина отсутствует и которая, будучи раз открытой, продолжает оставаться в таком состоянии. Используя эту метафору, можно сказать, что функция PulseEvent открывает дверь и закрывает ее сразу же после того, как через нее проходят одна (автоматически сбрасываемые события) или все (вручную сбрасываемые события) ожидающие потоки. Функция SetEvent открывает дверь и освобождает ее.
Пример: система "производитель/потребитель"
В этом примере возможности программы 8.1 расширяются таким образом, чтобы потребитель мог дожидаться момента, когда появится доступное сообщение. Тем самым устраняется одна из проблем, связанная с тем, что в предыдущем варианте программы потребитель должен был непрерывно повторять попытки получения новых сообщений. Результирующая программа (программа 8.2) называется eventPC.
Заметьте, что в предлагаемом решении вместо объектов CRITICAL_SECTION используются мьютексы; единственной причиной для этого послужило лишь желание проиллюстрировать применение мьютексов. В то же время, использование автоматически сбрасываемого события и функции SetEvent в потоке потребителя является весьма существенным для работы программы, поскольку это гарантирует освобождение только одного потока.
Также обратите внимание на способ связывания мьютекса и события со структурой данных блока сообщения. Мьютекс активизирует критический участок кода для доступа к объекту структуры данных, тогда как событие используется для уведомления о том, что появилось новое сообщение. Обобщая, можно сказать, что мьютекс гарантирует сохранение инвариантов объекта, а событие сигнализирует о нахождении объекта в заданном состоянии. Эта базовая методика широко применяется в последующих главах.
Программа 8.2. eventPC: система "производитель/потребитель", использующая сигналы
/* Глава 8. eventPC.с */
/* Поддерживает два потока — производителя и потребителя. */
/* Производитель периодически создает буферные данные с контрольными */
/* суммами, или "блоки сообщений", сигнализирующие потребителю о готовности*/
/* сообщения. Поток потребителя отображает информацию в ответ на запрос.*/
#include "EvryThng.h"
#include <time.h>
#define DATA_SIZE 256
typedef struct msg_block_tag { /* Блок сообщения. */
volatile DWORD f_ready, f_stop; /* Флаги готовности и прекращения сообщений. */
volatile DWORD sequence; /* Порядковый номер блока сообщения. */
volatile DWORD nCons, nLost; time_t timestamp;
HANDLE mguard; /* Мьютекс, защищающий структуру блока сообщения. */
HANDLE mready; /* Событие "Сообщение готово". */
DWORD checksum; /* Контрольная сумма сообщения. */
DWORD data[DATA_SIZE]; /* Содержимое сообщения. */
} MSG_BLOCK;
/* … */
DWORD _tmain(DWORD argc, LPTSTR argv[]) {
DWORD Status, ThId;
HANDLE produce_h, consume_h;
/* Инициализировать мьютекс и событие (автоматически сбрасываемое) в блоке сообщения. */
mblock.mguard = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
mblock.mready = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
/* Создать потоки производителя и потребителя; ожидать их завершения.*/
/* … Как в программе 9.1 … */
CloseHandle(mblock.mguard);
CloseHandle(mblock.mready);
_tprintf(_T("Потоки производителя и потребителя завершили выполнение\n"));
_tprintf(_T("Отправлено: %d, Получено: %d, Известные потери: %d\n"), mblock.sequence, mblock.nCons, mblock.nLost);
return 0;
}
DWORD WINAPI produce(void *arg)
/* Поток производителя — создание новых сообщений через случайные */
/* интервалы времени. */
{
srand((DWORD)time(NULL)); /* Создать начальное число для генератора случайных чисел. */
while(!mblock.f_stop) {
/* Случайная задержка. */
Sleep(rand() / 10); /* Длительный период ожидания следующего сообщения. */
/* Получить и заполнить буфер. */
WaitForSingleObject(mblock.mguard, INFINITE);
__try {
if (!mblock.f_stop) {
mblock.f_ready = 0;
MessageFill(&mblock);
mblock.f_ready = 1;
mblock.sequence++;
SetEvent(mblock.mready); /* Сигнал "Сообщение готово". */
}
} __finally { ReleaseMutex (mblock.mguard); }
}
return 0;
}
DWORD WINAPI consume (void *arg) {
DWORD ShutDown = 0;
CHAR command, extra;
/* Принять ОЧЕРЕДНОЕ сообщение по запросу пользователя. */
while (!ShutDown) { /* Единственный поток, получающий доступ к стандартным устройствам ввода/вывода. */
_tprintf(_T("\n** Введите 'с' для приема; 's' для прекращения работы: "));
_tscanf("%c%c", &command, &extra);
if (command == 's') {
WaitForSingleObject(mblock.mguard, INFINITE);
ShutDown = mblock.f_stop = 1;
ReleaseMutex(mblock.mguard);
} else if (command == 'c') {
/* Получить новый буфер принимаемых сообщений. */
WaitForSingleObject(mblock.mready, INFINITE);
WaitForSingleObject(mblock.mguard, INFINITE);
__try {
if (!mblock.f_ready) _leave;
/* Ожидать наступление события, указывающего на готовность сообщения. */
MessageDisplay(&mblock);
mblock.nCons++;
mblock.nLost = mblock.sequence – mblock.nCons;
mblock.f_ready = 0; /* Новые готовые сообщения отсутствуют. */
} __finally { ReleaseMutex (mblock.mguard); }
} else {
_tprintf(_T("Недопустимая команда. Повторите попытку.\n"));
}
}
return 0;
}
Примечание
Существует вероятность того, что поток потребителя, уведомленный о готовности сообщения, в действительности не успеет обработать текущее сообщение до того, как поток производителя сгенерирует еще одно сообщение до захвата мьютекса потоком потребителя. В результате такого поведения программы поток потребителя может обработать одно и то же сообщение дважды, если бы не проверка, предусмотренная в начале try-блока потребителя. Эта и другие аналогичные проблемы обсуждаются в главе 10.
Обзор: объекты синхронизации Windows
Наиболее важные свойства объектов синхронизации Windows перечислены в табл. 8.2.
Таблица 8.2. Сравнительные характеристики объектов синхронизации Windows