Критические секции
Критическая секция (critical section) — это небольшой участок кода, требующий мо нопольного доступа к каким-то общим данным. Она позволяет сделать так, чтобы единовременно только один поток получал доступ к определенному ресурсу Есте ственно, система может в любой момент вытеснить Ваш поток и подключить к про цессорудругой, но ни один из потоков, которым нужен занятый Вами ресурс, не по лучит процессорное время до тех пор, пока Баш поток не выйдет за границы крити ческой секции.
Вот пример кода, который демонстрирует, что может произойти без критической секции:
const int MAX_TIMES = 1000,
int g_nIndex - 0,
DWORD g_dwTimes[MAX_TIMES];
DWORD WINAPI FirstThread(PVOID pvParam)
{
while (g_nIndex < MAX_TIMES)
{
g_dwTimes[g__nIndex] = GetTickCount();
g_nIndex++;
}
return(0),
}
DWORD WINAPI SecondThread(PVOID pvParam)
{
while Cg_nIndex < MAX_TIMES)
{
g_nIndex++;
g_dwTimes[g_nIndex - 1] = GetTickCount();
}
return(0);
}
Здесь предполагается, что функции обоих потоков дают одинаковый результат, хоть они и закодированы с небольшими различиями. Если бы исполнялась только функция FirstThread, она заполнила бы массив g_dwTimes набором чисел с возраста ющими значениями. Это верно и в отношении SecondThread - если бы она тоже ис полнялась независимо. В идеале обе функции даже при одновременном выполнении должны бы по-прежнему заполнять массив тем же набором чисел. Но в нашем коде возникает проблема: масив g_dwTimes не будет заполнен, как надо, потому что фун кции обоих потоков одновременно обращаются к одним и тем жс глобальным пере менным. Вот как это может произойти.
Допустим, мы только что начали исполнение обоих потоков в системе с одним процессором Первым включился в работу второй поток, т e функция SecondThread (что вполне вероятно), и только она успела увеличить счетчик g_nIndex 1, как си
стема вытеснила ее поток и перешла к исполнению FtrstThread Та заносит в g_dwTi mes[1] показания системного времени, и процессор вновь переключается на испол нение второго потока. SecondThread теперь присваивает элементу g_dwTtmes[1 - 1] новые показания системного времени Поскольку эта операция выполняется позже, новые показания, естественно, выше, чем записанные в элемент g_dwTimes[1]фyнк цией FirstThread Отметьте также, что сначала заполняется первый элемент массива и только потом нулевой. Таким образом, данные в массиве оказываются ошибочными.
Согласен, пример довольно надуманный, но, чтобы привести реалистичный, нуж но минимум несколько страниц кода, Важно другое теперь Вы легко представите, что может произойти в действительности Возьмем пример с управлением связанным списком объектов. Если доступ к связанному списку нс синхронизирован, один по ток может добавить элемент в список в тот момент, когда другой поток пытается найти в нсм какой-то элемент. Ситуация станет еще более угрожающей, ссли оба потока одновременно добавят в список новые элементы. Так что, используя критические сек ции, можно и нужно координировать доступ потоков к структурам данных.
Теперь, когда Вы видите все «подводные камни», попробуем исправить этот фраг мент кода с помощью критической секции:
const int MAX_TIMES = 1000;
int g_nIndex = 0;
DWORD g_dwTimes[MAX_TIMES];
CRITICAL_SECTION g_cs;
DWORD WINAPI FirstThread(PVOID pvParam)
{
for (BOOL fContinue = TRUE; fContinue; )
{
EnterCriticalSection(&g_cs);
if (g_nIndex < MAX_TIMES)
{
g_dwTimes[g_nlndex] = GetTickCount();
g_nIndex++;
}
else
fContinue = FALSE;
LeaveCriticalSection(&g_cs);
}
return(0);
}
DWORD WINAPI SecondThread(PVOID pvParam)
{
for (BOOL fContinue = TRUE; fContinue; )
{
EnterCriticalSection(&g_cs);
if (g__nIndex < MAX_TIMES)
{
g_nIndex++;
g_dwTimes[g_nIndex - 1] = GetTickCount();
}
else
fContinue = FALSE;
LeaveCriticalSecLion(&g_cs);
}
return(0);
}
Я создал экземпляр структуры данных CRITICAL_SECTION — g_cs, а потом «обер нул" весь код, работающий с разделяемым ресурсом (в нашем примере это строки с g_nIndex и g_dwTimes), вызовами EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection. Заметьте, что при вызовах этих функций я передаю адрес g_cs.
Запомните несколько важных вещей. Если у Вас есть ресурс, разделяемый несколь кими потоками, Вы должны создать экземпляр структуры CRITICAL_SECTION. Так как я пишу эти строки в самолете, позвольте провести следующую аналогию. Структура CRITICAL_SECTION похожа на туалетную кабинку в самолете, а данные, которые нуж но защитить, — на унитаз, Туалетная кабинка (критическая секция) в самолете очень маленькая, и единовременно в ней может находиться только один человек (поток), пользующийся унитазом (защищенным ресурсом)
Если у Вас есть ресурсы, всегда используемые вместе, Вы можете поместить их в одну кабинку — единственная структура CRITICAL_SECTION будет охранять их всех. Но если ресурсы не всегда используются вместе (например, потоки 1 и 2 работают с одним ресурсом, а потоки 1 и 3 — с другим), Вам придется создать им по отдельной кабинке, или структуре CRITICAL_SECTION.
Теперь в каждом участке кода, где Вы обращаетесь к разделяемому ресурсу, вы зывайте EnterCriticaSection, передавая ей адрес структуры CRITICAL_SECTION, кото рая выделена для этого ресурса. Иными словами, поток, желая обратиться к ресурсу, должен сначала убедиться, нет ли на двери кабинки знака «занято». Структура CRITI CAL_SECTION идентифицирует кабинку, в которую хочет войти поток, а функция EnterCriticalSection — тот инструмент, с помощью которого он узнает, свободна или занята кабинка. EnterCriticalSection допустит вызвавший ее поток в кабинку, если оп ределит, что та свободна. В ином случае (кабинка занята) EnterCriticalSection заставит его ждать, пока она не освободится.
Поток, покидая участок кода, где он работал с защищенным ресурсом, должен вызвать функцию LeaveCriticalSection. Тем самым он уведомляет систему о том, что кабинка с данным ресурсом освободилась. Если Вы забудете это сделать, система бу дет считать, что ресурс все еще занят, и не позволит обратиться к нему другим жду щим потокам, То есть Вы вышли из кабинки и оставили на двери знак "занято".
NOTE:
Самое сложное — запомнить, что любой участок кода, работающего с разде ляемым ресурсом, нужно заключить в вызовы функций EnterCrtticalSection и LeaveCriticalSection. Если Вы забудете сделать это хотя бы в одном месте, ре сурс может быть поврежден Так, если в FirstThread убрать вызовы EnterCritical Section и LeaveCriticalSection, содержимое переменных g_nIndex и g_dwTimes станет некорректным — даже несмотря на то что в SecondThread функции EnterCriticalSection и LeaveCriticalSection вызываются правильно.
Забыв вызвать эти функции, Вы уподобитесь человеку, который рвется в туалетную кабинку, не обращая внимания па то, есть в ней кто-нибудь или нет. Поток пробивает себе путь к ресурсу и берется им манипулировать. Как Вы прекрасно понимаете, стоит лить одному потоку проявить такую "грубость", и Ваш ресурс станет кучкой бесполезных байтов.
Применяйте критические секции, если Вам не удается решить проблему синхро низации зз счет Interlocked-функций. Преимущество критических секций в том, что они просты в использовании и выполняются очень быстро, так как реализованы на основе Interlocked-функций А главный недостаток — нельзя синхронизировать потоки в разных процессах. Однако в главе 10 я продемонстрирую Вам свой синхронизиру ющий объект, который я назвал оптексом. На его примере Вы увидите, как реализу ются критические секции на уровне операционной системы и как этот объект рабо тает с потоками разных процессов.
