Чтобы исключить возможность гонки, необходимо сделать операции атомарными. Атомарная операция неделима и непрерывна; если она началась, то уже не может быть приостановлена или прервана, пока, наконец, не завершится. Выполнение других операций в это время становится невозможным. В нашем конкретном примере проверка переменной
job_queue
и удаление задания должны выполняться как одна атомарная операция.
4.4.2. Исключающие семафоры
Решение проблемы гонки заключается в том, чтобы позволить только одному потоку обращаться к очереди в конкретный момент времени. Когда поток начинает просматривать очередь, все остальные потоки вынуждены дожидаться, пока он удалит очередное задание из списка.
Реализация такого решения требует поддержки от операционной системы. В Linux имеется специальное средство, называемое исключающим семафором, или мьютексом (MUTual EXclusion — взаимное исключение). Это специальная блокировка, которую в конкретный момент времени может устанавливать только одни поток. Если исключающий семафор захвачен каким-то потоком, другой поток, обращающийся к семафору, оказывается заблокированным или переведенным в режим ожидания. Как только семафор освобождается, поток продолжает свое выполнение. ОС Linux гарантирует, что между потоками, пытающимися захватить исключающий семафор, не возникнет гонка. Такой семафор может принадлежать только одному потоку, а все остальные потоки блокируются.
Чтобы создать исключающий семафор, нужно объявить переменную типа
pthread_mutex_t
и передать указатель на нее функции
pthread_mutex_init
. Вторым аргументом этой функции является указатель на объект атрибутов семафора. Как и в случае функции
pthread_create
, если объект атрибутов пуст, используются атрибуты по умолчанию. Переменная исключающего семафора инициализируется только один раз. Вот как это делается:
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
Более простой способ создания исключающего семафора со стандартными атрибутами — присвоение переменной специального значения
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
. Вызывать функцию
pthread_mutex_init
в таком случае не требуется. Это особенно удобно для глобальных переменных (а в C++ — статических переменных класса). Предыдущий фрагмент программы эквивалентен следующей записи:
Поток может попытаться захватить исключающий семафор, вызвав функцию
pthread_mutex_lock
. Если семафор свободен, он переходит во владение данного потока и функция немедленно завершается. Если же семафор уже был захвачен другим потоком. выполнение функции
pthread_mutex_lock
блокируется и возобновляется только тогда, когда семафор вновь становится свободным. Сразу несколько потоков могут ожидать освобождения исключающего семафора. Когда это событие наступает, только один поток (выбираемый произвольным образом) разблокируется и получает возможность захватить семафор; остальные потоки остаются заблокированными.
Функция
pthread_mutex_unlock
освобождает исключающий семафор. Она должна вызываться только из того потока, который захватил семафор.
В листинге 4.11 представлена другая версия программы, работающей с очередью заданий. Теперь очередь "защищена" исключающим семафором. Прежде чем получить доступ к очереди (для чтения или записи), каждый поток сначала захватывает семафор. Только когда вся последовательность операций проверки очереди и удаления задания из нее будет закончена, произойдет освобождение семафора. Благодаря этому не возникает описанное выше состояние гонки.
Листинг 4.11. (job-queue2.c) Работа с очередью заданий, защищенной исключающим семафором
#include <malloc.h>
#include <pthread.h>
struct job {
/* Ссылка на следующий элемент связанного списка. */
struct job* next;
/* Другие поля, описывающие требуемую операцию... */
/* Обработка заданий до тех пор, пока очередь не опустеет. */
void* thread_function(void* arg) {
while (1) {
struct job* next_job;
/* Захват семафора, защищающего очередь. */
pthread_mutex_lock(&job_queue_mutex);
/* Теперь можно проверить, является ли очередь пустой. */
if (job_queue == NULL)
next_job = NULL;
else {
/* Запрашиваем следующее задание. */
next_job = job_queue;
/* Удаляем задание из списка. */
job_queue = job_queue->next;
}
/* Освобождаем семафор, так как работа с очередью окончена. */
pthread_mutex_unlock(&job_queue_mutex);
/* Если очередь пуста, завершаем поток. */
if (next_job == NULL)
break;
/* Выполняем задание. */
process_job(next_job);
/* Очистка. */
free(next_job);
}
return NULL;
}
Все операции доступа к совместно используемому указателю
job_queue
происходят между вызовами функций
pthread_mutex_lock
и
pthread_mutex_unlock
. Объект задания, ссылка на который хранится в переменной
next_job
, обрабатывается только после того, как ссылка на него удаляется из очереди, что позволяет обезопасить этот объект от других потоков.
Обратите внимание на то, что, если очередь пуста (т.е. указатель
job_queue
равен
NULL
), цикл не завершается немедленно. Это привело бы к тому, что исключающий семафор так и остался бы в захваченном состоянии и не позволил бы ни одному другому потоку получить доступ к очереди заданий. Мы действуем иначе: записываем в переменную
next_job
значение
NULL
и выходим из цикла только после освобождения семафора.
Исключающий семафор блокирует доступ к участку программы, а не к переменной. В обязанности программиста входит написать код для захвата семафора перед доступом к переменной и последующего его освобождения. Вот как. например, может выглядеть функция, добавляющая новое задание к очереди: