Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

К сожалению, и техническая документация QNX [8], и фундаментальная книга Р. Кертена [1] написаны по одной схеме:[35] все, что касается примитивов синхронизации, введенных более поздними расширениями POSIX (барьеры, жесткая блокировка (sleepon), спинлок, блокировки чтения-записи), описывается детально и сопровождается обстоятельными примерами кода, а вот базовые понятия, такие как pthread_mutex_t, sem_t (да и pthread_cond_t, по существу), описаны лишь качественно, «на пальцах», в иллюстративных рассказах об алгоритме пользования ванной комнатой и кухней (термин bathroom встречается намного чаще, чем pthread_mutex_t). Мы попытаемся по возможности компенсировать этот перекос.

Хотелось бы обратить внимание на интересный факт. В POSIX-варианте API QNX представлен большой набор разнообразных средств синхронизации: мьютексы, условные переменные, семафоры, барьеры, блокировки чтения/записи, ждущие блокировки, спинлоки. Однако в родном native API QNX из всего этого многообразия мы видим всего три элемента синхронизации: мьютекс, семафор и условная переменная. И это при том, что условная переменная не является самостоятельным средством синхронизации и применяется как расширение функциональных возможностей мьютекса!

Это означает, что все многообразие средств синхронизации, предоставляемое в POSIX API QNX, строится исключительно с применением этих минимальных средств синхронизации. Действительно, анализ заголовочных файлов системы показывает, что все дополнительные средства синхронизации, появляющиеся в POSIX API, строятся с использованием только мьютекса и условной переменной. Можно сказать, что пара мыотекс-условная переменная с одной стороны и семафор с другой являются независимыми базисами, каждый из которых позволяет построить практически любой, сколь угодно специфический элемент синхронизации, удовлетворяющий потребностям, которые могут возникнуть при построении вашей системы. Мы проиллюстрируем эту мысль позже, при рассмотрении особенностей применения мьютексов.

Независимо от того, какой набор элементов синхронизации окажется предпочтительным для разрабатываемой вами системы, важным является тот факт, что в случае, если предлагаемые системой средства синхронизации по каким-то причинам вас не устраивают, то ничто не мешает разработать собственные средства синхронизации, используя тот или иной базис или даже их комбинацию. И эффективность полученного нового средства синхронизации будет зависеть только от вас.

Мы постараемся проиллюстрировать эту идею примерами использования базовых средств синхронизации в качестве «конструктора» при построении более сложных. Три базовых элемента синхронизации ОС QNX — мьютекс, условная переменная и семафор — реализуются на уровне микроядра системы и создаются вызовом системной функции:

SyncTypeCreate(unsigned type, sync_t* sync, const struct _sync_attr_t* attr);

Здесь type может принимать значения:

_NTO_SYNC_MUTEX_FREE — для создания мьютекса;

_NTO_SYNC_SEM — для создания семафора;

_NTO_SYNC_COND — для создания условной переменной.

Стоит обратить внимание на два важных факта. Во-первых, типы мьютекса (pthread_mutex_t), условной переменной (pthread_cond_t) и семафора (sem_t) являются псевдонимами типа sync_t. А во-вторых, типы атрибутов этих объектов также являются псевдонимами одного-единственного типа — sync_attr_t, содержащего поле protocol, значение которого определяет, каким способом ОС будет варьировать приоритеты во избежание их инверсии.

В соответствии с документацией QNX 6.2.1 это поле присутствует у параметров всех трех базовых объектов синхронизации, но доступно оно только для переопределения мьютексов. По умолчанию (например, когда вместо attr передается NULL) поле protocol принимает значение PTHREAD_PRIO_INHERIT. Это означает, что ОС будет использовать протокол наследования приоритетов для предотвращения инверсии.

Таким образом, все примитивы синхронизации QNX в теории могут учитывать эффект инверсии приоритетов. Однако на практике важны следующие два вопроса: возможно ли в принципе возникновение ситуации инверсии приоритетов для данного типа примитивов, и если да, то актуально ли для данного типа примитивов препятствовать возникновению инверсии (в качестве иллюстрации этого утверждения можно рассмотреть примитив типа барьер).

Тесты [4] показывают, что только для мьютексов наследованием приоритетов (или альтернативными протоколами) однозначно предотвращается возникновение инверсии приоритетов. По-видимому, в первую очередь это связано с тем, что сама по себе инверсия может возникнуть именно в тех случаях, когда из всех элементов синхронизации необходимо использовать именно мьютекс или что-либо из его наследников (например, блокировки чтения-записи).

Семафор (счетный)

Семафор является весьма специфическим (в сравнении с прочими) для ОС QNX средством синхронизации, и хотя функции работы с ним также определяются стандартом POSIX, даже семантика этих функций отличается от всех прочих объектов синхронизации.

Функции работы с семафором определяются стандартом POSIX 1003.1 (1993) расширения реального времени, а не стандартом POSIX 1003b (1995), которым определены pthread_* и все другие примитивы синхронизации; соответственно функции манипулирования семафорами не начинаются с префикса pthread_*.

В классической работе Дейкстры [10] семафор определяется как объект, над которым можно провести две атомарные операции: инкремент и декремент внутреннего счетчика — при условии, что внутренний счетчик не может принимать значение меньше нуля. Если некий поток пытается уменьшить на единицу значение внутреннего счетчика семафора, значение которого уже равно нулю, то этот поток блокируется до тех пор, пока внутренний счетчик семафора не примет значение, равное 1 или больше (посредством воздействия на него других потоков). Разблокированный поток сможет осуществить декремент нового значения.

Принято рассматривать семафоры двух видов: бинарные, счетчик которых может принимать только значения 0 либо 1, и счетные, или простые, счетчик которых может принимать большие положительные значения. В QNX 6.2.1 максимальное значение счетчика определяется переменной SEM_VALUE_MAX, значение которой равно 32 767.

Отметим важный момент: семафор является наиболее простым и соответственно наиболее универсальным средством синхронизации. И классические решения задач раздельного использования ресурсов, предложенные в теории первоначально Э. Дейкстрой, базируются именно на понятии семафора. Однако в случае систем реального времени применение семафоров для разделения доступа к ресурсу влечет потенциальную опасность возникновения инверсии приоритетов [4], избежать которой никак нельзя.

Причина этого в том, что семафор по определению не может знать своего владельца (захватившего его), поскольку у счетного семафора в принципе не может быть владельца, а бинарный семафор, который отличает своего владельца (поток, заблокировавший в данный момент другие потоки на обращении к семафору), уже перестает быть собственно семафором и называется мьютексом, или эксклюзивной блокировкой. По-видимому, именно этим обстоятельством вызван тот факт, что все объекты синхронизации QNX, не реализованные на уровне native API, но предоставляемые на уровне API POSIX, строятся без использования семафоров.

Принципиально схема работы семафора позволяет использовать его для решения максимально широкого круга задач. Приведем только несколько схематичных примеров:

• Ожидание условия (уведомление). Часто возникает необходимость остановить (заблокировать) поток до тех пор, пока не наступит некое событие (выполнится условие). Разблокировать остановленный поток в таком случае может только другой, активный к этому времени поток. Предварительно инициализируем семафор нулевым значением:

      Поток А             Поток В

while (!expression)  expression = true;

sem_wait(&sem);      sem_post(&sem);

В этом случае поток А ожидает выполнения некоего условия (операция sem_wait()), а поток В уведомляет (операция sem_post()) о выполнении условия любые ожидающие этого условия потоки.

В принципе конструкция while() здесь не обязательна, можно обойтись и простым if(), но проверка выполнения условия и после разблокирования потока будет более строгой формой в многопоточной системе, особенно если выполнения условия ожидают более одного потока.

• Взаимное исключение. С помощью семафора можно решить и другую классическую проблему синхронизации — безопасное совместное исполнение кода. Эта проблема возникает, когда из нескольких потоков необходимо провести модификацию общих переменных или обратиться к одному системному ресурсу. В таком случае необходимо установить четкий порядок обращений, не допускающий одновременности исполнения соответствующего участка кода (взаимное исключение). Здесь семафор инициализируется единицей: