Синхронизация. Параллельное выполнение процессов и потоков.

• Проблемы параллельного выполнения
• Критические секции. Детерминированность.
• Атомарность операций
• Объекты синхронизации
• Классические проблемы синхронизации
• Реализация объектов синхронизации в ОС Windows
• Особенности реализации объектов синхронизации в ОС Unix

Фрагменты из лекции

Детерминированность

• Набор программ, работающих с общими данными, детерминирован если при псевдопараллельном его выполнении для одинаковых входных данных он будет обеспечивать одинаковые результаты
• Параллельное выполнение недетерминированных программ приводит к редким, трудно обнаруживаемым и отлаживаемым ошибкам.

Критическая секция

• Часть программы, в которой есть обращение к общим данным, называется критической секцией.
• Условия детерминированности и работоспособности параллельных программ:
• два процесса не должны одновременно находится в критических секциях;

Атомарность. Виды ожидания

• Операция называется атомарной, если во время ее выполнения не может происходить переключения процессора на другой процесс (поток).
• Ожидание блокировки называют:
• активным, если программа в цикле проверяет выполнение условия окончания блокировки;
• пассивным, если операционная система переводит процесс (поток) в состояние блокированного до окончания блокировки.
  
• в программе не должно быть предположений о скорости или количестве процессоров;
• процесс, находящийся вне критической секции, не может блокировать другие процессы;
• невозможна ситуация, в которой процесс вечно ждет попадания в критическую секцию.

Объекты синхронизации

• Мьютекс (mutual exclusive) — двоичная переменная, находящаяся в двух состояниях — свободном и занятом. Операция «проверить» ждет освобождения мьютекса и переводит его в занятое состояние, операция «освободить» переводит в свободное состояние.
• Семафор — целая переменная с неотрицательным значением. Операция «проверить» вычитает значение семафора, если он положителен, и ожидает увеличения если равен нулю. Операция «освободить» увеличивает значение семафора на 1.

Синхронизация в ОС Windows

• Функция Sleep
• Объекты синхронизации
• Функции ожидания
• Критические секции

Функция Sleep

• VOID Sleep(DWORD dwMilliseconds);
• Переводит поток в состояние блокировки на указанное количество милисекунд.
• В качестве значения параметра можно использовать макрос INFINITE.
• Поток не продолжит работу в течении не менее чем указанное количество времени.

Объекты синхронизации ОС Windows

• Объекты синхронизации ОС Windows — это объекты, которые имеют дескрипторы и могут находится в двух состояниях: сигналированом и несигналированом.
• Объекты синхронизации используются в функциях ожидания.
• Функция ожидания позволяет процессу дождаться сигналирования одного или нескольких объектов.
• Все операции над объектами синхронизации (в т.ч. производимые функциями ожидания) атомарны.

Мьютекс

• Мьютекс — бинарный объект синхронизации. В каждый момент времени он свободен (сигналирован) или принадлежит какому-либо потоку (несигналирован).
• Успешно завершенная функция ожидания захватывает мьютекс. Для его освобождения поток использует функцию releaseMutex
• Если поток начал ожидание на мьютексе, которым уже владеет, то оно немедленно заканчивается. Функцию ReleaseMutex для освобождения необходимо вызвать столько раз, сколько была вызвана функция ожидания.

Операции над мьютексами

• Создание мьютекса
• HANDLE CreateMutex ( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes, BOOL bInitialOwner, LPCTSTR lpName);
• Освобождение мьютекса
• BOOL ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

Семафор

• Семафор — объект, состояние которого описывается неотрицательным целым числом (с пределом значения).
• Семафор сигналирован, когда его значение положительно, несигналирован — когда оно равно нулю.
• Функция ожидания (после завершения ожидания при необходимости) уменьшает значение семафора на 1.
• Функция ReleaseSemaphore увеличивает значение семафора.
• Если же поток организует несколько ожиданий на одном семафоре не отпуская его, то каждое ожидание уменьшает семафор.

Операции над семафорами

• Создание семафора
• HANDLE CreateSemaphore ( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSemaphoreAttributes, LONG lInitialCount, LONG lMaximumCount, LPCTSTR lpName);
• Увеличение значения семафора
• BOOL ReleaseSemaphore( HANDLE hSemaphore, LONG lReleaseCount, LPLONG lpPreviousCount);

Таймер

Таймер сигналируется по истечении определенного времени.

Таймер может быть:

1. сбрасываемым вручную — остается сигналированным до установки нового значения времени (перезапуска);
2. с автоматическим сбросом — переходит в несигналированное состояние при завершении операции ожидания.

Периодический таймер автоматически перезапускается через определенный период времени.

Операции над таймерами

• Создание таймера
• HANDLE CreateWaitableTimer ( LPSECURITY_ATTRIBUTES lpTimerAttributes, BOOL bManualReset, LPCTSTR lpTimerName);
• Запуск таймера
• BOOL SetWaitableTimer(
  HANDLE hTimer,
  const LARGE_INTEGER* pDueTime,   // 100нс, положительные — абсолютное время, отрицательные — относительное
  LONG lPeriod, //период, мс
  PTIMERAPCROUTINE pfnCompletionRoutine,
  LPVOID lpArgToCompletionRoutine,
  BOOL fResume //обычно 0 );