Основные сведения о потоках

В предыдущей главе на рис. 6.1 было показано, каким образом обеспечивается существование потоков в среде процесса. Использование потоков на примере многопоточного сервера, способного обрабатывать запросы одновременно нескольких клиентов, иллюстрирует рис. 7.1; каждому клиенту отведен поток. Эта модель будет реализована в главе 11.

Потоки, принадлежащие одному процессу, разделяют общие данные и код, поэтому очень важно, чтобы каждый поток имел также собственную область памяти, относящуюся только к нему. В Windows удовлетворение этого требования обеспечивается несколькими способами.

• У каждого потока имеется собственный стек, который она использует при вызове функций и обработке некоторых данных.

• При создании потока вызывающий процесс может передать ему аргумент (Arg на рис. 7.1), который обычно является указателем. На практике этот аргумент помещается в стек потока.

• Каждый поток может распределять индексы собственных локальных областей хранения (Thread Local Storage, TLS), а также считывать и устанавливать значения TLS. TLS, описанные далее, предоставляют в распоряжение потоков небольшие массивы данных, и каждый из потоков может обращаться к собственной TLS. Одним из преимуществ TLS является то, что они обеспечивают защиту данных, принадлежащих одному потоку, от воздействия со стороны других потоков.

Рис. 7.1. Потоки в среде сервера

Аргумент потока и TLS могут использоваться для указания произвольной структуры данных. Применительно к представленному на рис. 7.1 примеру сервера эта структура может содержать текущий запрос и отклик потока на этот запрос, а также предоставлять рабочую память для других целей.

В случае SMP-систем Windows обеспечивает параллельное выполнение различных потоков, в том числе и принадлежащих одному и тому же процессу, на разных процессорах. Правильное использование этой возможности позволяет повысить производительность, однако, как будет показано в двух следующих главах, в результате непродуманных действий без заранее определенной стратегии использования нескольких процессоров производительность SMP-систем может даже ухудшиться по сравнению с однопроцессорными системами.

3. Объекты синхронизации потоков. Семафоры.

Семафоры

Объекты второго из трех упомянутых в начале главы типов объектов синхронизации ядра — семафоры (semaphores), поддерживают счетчики, и когда значение этого счетчика больше 0, объект семафора находится в сигнальном состоянии. Если же значение счетчика становится нулевым, объект семафора переходит в несигнальное состояние.

Потоки и процессы организуют ожидание обычным способом, используя для этого одну или несколько функций ожидания. При разблокировании ожидающего потока значение счетчика уменьшается на 1.

К функциям управления семафорами относятся CreateSemaphore, OpenSemaphore и ReleaseSemaphore, причем последняя функция может инкрементировать значение счетчика на 1 и более. Эти функции аналогичны своим эквивалентам, предназначенным для управления мьютексами.

HANDLE CreateSemaphore(LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsa, LONG lSemInitial, LONG lSemMax, LPCTSTR lpSemName)

Параметр lSemMax, значение которого должно быть равным, по крайней мере, 1, определяет максимально допустимое значение счетчика семафора. Параметр lSemInitial — начальное значение этого счетчика, которое должно удовлетворять следующему условию: 0≤ lSemInitial≤ lSemMax и никогда не должно выходить за пределы указанного диапазона. Возвращение функцией значения NULL указывает на ее неудачное выполнение.

Каждая отдельная операция ожидания может уменьшить значение счетчика только на 1, но с помощью функции ReleaseSemaphore значение его счетчика может быть увеличено до любого значения вплоть до максимально допустимого.

BOOL ReleaseSemaphore(HANDLE hSemaphore, LONG cReleaseCount, LPLONG lpPreviousCount)

Обратите внимание на возможность получения предыдущего значения счетчика, определяемого указателем lpPreviousCount, которое он имел до освобождения объекта синхронизации при помощи функции ReleaseSemaphore, но если необходимости в этом нет, то значение упомянутого указателя следует установить равным NULL.

Число, прибавляемое к счетчику семафора (cReleaseCount), должно быть больше 0, но если выполнение функции ReleaseSemaphore приводит к выходу значения счетчика за пределы допустимого диапазона, то она завершается с ошибкой, возвращая значение FALSE, а значение счетчика семафора остается неизменным. Предыдущим значением счетчика следует пользоваться с осторожностью, поскольку оно могло быть изменено другими потоками. Кроме того, невозможно определить, достиг ли счетчик максимально допустимого значения, поскольку не предусмотрено средство, отслеживающее увеличение счетчика в результате его освобождения. Пример использования предыдущего значения счетчика семафора приведен на Web-сайте книги.

Как ни соблазнительно пытаться рассматривать мьютекс как частный случай семафора, значение счетчика которого задано равным 1, это было бы заблуждением ввиду отсутствия понятия прав владения семафором. Семафор может быть освобожден любым потоком, а не только тем, который ожидает. Точно так же, поскольку нельзя говорить о правах владения семафором, отсутствует и понятие покинутого семафора.