Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма
В такой схеме потоки могут возвратить в точку ожидания (и зачастую делают это) результат своего выполнения. В представленном шаблоне мы не стали показывать возврат значений, чтобы не загромождать код. Возврат результата подробно рассматривался ранее, когда речь шла о завершении потоков.
Показанная схема синхронизации на завершении потоков не является примитивом синхронизации и не требует использования таковых, но она выводит нас на еще один тип примитивов — барьер.
Барьер
Барьер как раз и предназначен для разрешения выше обозначенной проблемы — ожидания условия достижения несколькими заданными потоками точки синхронизации. Достигнув этой точки, потоки освобождаются «одновременно» и уже с этой точки продолжают свое независимое развитие. «Классическая» схема использования барьера (именно в таком качестве он чаще всего и используется), неоднократно приводимая в описаниях, выглядит так (мы уже много раз использовали ее в примерах кода):
static pthread_barrier_t bfinish;
void* threadfunc(void* data) {
// потоки что-то делают ...
pthread_barrier_wait(&bfinish);
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
int N = ...; // будем создавать N идентичных потоков
if (pthread_barrier_init(&bfinish, NULL, N + 1) != EOK)
perror("barrier init"), exit(EXIT.FAILURE);
for (int i = 0; i < N; i++)
if (pthread_create(NULL, NULL, threadfunc, NULL) != EOK)
perror("thread create"), exit(EXIT_FAILURE);
pthread_barrier_wait(&bfinish);
}
Очевидно, что по функциональности эта схема мало отличается от ожидания завершения потоков на pthread_join(), описанного выше. Однако есть различия в организации: если ранее мы просто ожидали полного завершения дочерних потоков, то в данной схеме мы ожидаем достижения ими специально созданной точки синхронизации. Еще одно отличие состоит в том, что схема синхронизации с ожиданием завершения на pthread_join() приемлема только для «присоединенных» потоков, тогда как схема на pthread_barrier_wait() может применяться и к «отсоединенным», автономным потокам.
Но если бы различие двух схем только на том и заканчивалось, то, возможно, нецелесообразно было бы вводить новый механизм барьеров. Однако техника использования барьеров шире, она может быть использована, например, когда нужно, чтобы, напротив, последовательно создаваемые потоки (в цикле порождающего потока) стартовали на исполнение «одновременно» (особенно это характерно тогда, когда дочерние потоки создаются с более высоким приоритетом, чем порождающий):
static pthread_barrier_t bstart;
void* threadfunc(void* data) {
// все потоки после создания должны "застрять" на входном барьере,
// чтобы потом одновременно "сорваться" в исполнение...
pthread_barrier_wait(&bstart);
// ... выполнение ...
return NULL;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
...
int N = ...; // будем создавать N идентичных потоков
if (pthread_barrier_init(&bstart, NULL, N) != EOK)
perror("barrier init"), exit(EXIT_FAILURE);
for (int i = 0; i < nthr; i++) {
if (pthread_create(NULL, NULL, threadfunc, NULL) != EOK)
perror("thread create"), exit(EXIT_FAILURE);
}
...
}
Обратите внимание на параметр количества ожидающих на барьере потоков при его инициализации: здесь он на единицу меньше.
Применение барьеров подробно описано в литературе [1], поэтому мы не будем специально останавливаться на этом элементе синхронизации, тем более что это один из наиболее простых в применении элементов.
По непонятным причинам документация QNX [8] причисляет барьеры к элементам синхронизации ядра, однако никаких средств native API QNX, предназначенных для работы с барьерами, документация не описывает, а заголовочный файл <pthread.h> так описывает тип pthread_barrier_t:
typedef struct {
unsigned int barrier;
unsigned int count;
pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t bcond;
} pthread_barrier_t;
Выводы можно сделать самостоятельно.
Также несколько загадочно выглядит тот факт, что согласно документации QNX 6.2.1 все функции работы с барьером и его атрибутами описаны в заголовочном файле <pthread.h>, за исключением двух функций pthread_barrier_wait() и pthread_barrierattr_setpshared(), о которых говорится, что они описаны в файле <sync.h>! Но если заглянуть в заголовочные файлы, то выясняется, что можно спокойно использовать для абсолютно всех функций работы с барьером либо заголовочный файл <pthread.h>, либо <sync.h>.
Операции с барьерами
Параметры барьера
Следующие функции инициализируют и разрушают блок параметров барьера:
int pthread_barrierattr_init(pthread_barrierattr_t* attr);
int pthread_barrierattr_destroy(pthread_barrierattr_t* attr);
Функция инициализации возвращает следующие значения:
EOK — успешное выполнение;
ENOMEM — недостаточно памяти для инициализации атрибутов барьера.
Функция разрушения атрибутов объекта возвращает значения:
EOK — успешное выполнение;
EINVAL — передан неверный объект атрибутов барьера attr.
Параметры барьера описываются типом pthread_barrierattr_t и аналогично другим типам синхронизации используются в момент инициализации элемента синхронизации. Фактически единственным атрибутом барьера является модификатор доступа к барьеру из других процессов:
int pthread_barrierattr_setpshared(
pthread_barrierattr_t* attr, int pshared);
int pthread_barrierattr_getpshared(
const pthread_barrierattr_t* attr, int* pshared);
По умолчанию атрибуты барьера запрещают доступ к элементу синхронизации из других процессов.
Обе функции могут возвращать следующие значения:
EOK — успешное выполнение;
EINVAL — одно или оба из переданных функции значений неверны.
Инициализация и разрушение барьера
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t* barrier,
const pthread_barrierattr_t* attr, unsigned int count);
Функция инициализирует объект синхронизации типа барьер, после чего его можно использовать. В атрибутах барьера устанавливается (или запрещается) возможность доступа к барьеру из других процессов. По умолчанию такой доступ запрещен. Для того чтобы изменить возможность доступа к созданному ранее барьеру, его необходимо разрушить, установить соответствующий атрибут и инициализировать барьер повторно. Параметр count показывает, какое количество потоков будет ожидать на барьере до их освобождения.
Возвращаемые значения:
EOK — успешное выполнение;
EAGAIN — системе не хватает ресурсов для инициализации барьера;
EBUSY — попытка инициализации уже инициализированного барьера;
EFAULT — сбой произошел при обращении ядра к аргументам;
EINVAL — attr указывает на неинициализированное значение атрибутов.
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t* barrier);
Функция разрушает барьер, после чего соответствующий элемент синхронизации barrier не может использоваться без повторной его инициализации.
Возвращаемые значения:
EOK — успешное выполнение;
EBUSY — в настоящее время есть потоки, блокированные на барьере;
EINVAL — неинициализированный объект barrier.
Ожидание на барьере
Функция ожидания (синхронизации) на барьере:
int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t* barrier);
Вызов этой функции приводит к блокированию потока до тех пор, пока на барьере не накопится количество заблокированных потоков, определенное ранее при вызове функции pthread_barrier_init().
Необходимо с особой осторожностью относиться к использованию барьеров для остановки и синхронизации потоков разных приоритетов. Поскольку потоки, ожидающие у барьера, находятся в блокировке на условной переменной (внутренней), то система никак не отслеживает эффекты, связанные с возможной инверсией приоритетов.
Если поток, блокированный на барьере, получает сигнал, для которого определен обработчик, то обработчик сигнала выполняется, но по завершении его выполнения поток вновь блокируется до выполнения условия барьера.
Документация QNX утверждает, что нельзя заранее сказать, какой поток будет освобожден первым, когда заданное количество потоков достигнет барьера. Учитывая, что при реализации операций над потоками использовалась комбинация мьютекса с условной переменной (как видно из приведенного выше определения, типа pthread_barrier_t), освобождение блокированных потоков будет проходить по принципам, определенным для потоков, блокированных на условной переменной и получающих «широковещательное» (broadcast), или одновременное, освобождение. Документация QNX утверждает, что в таком случае первым будет «отпущен» тот поток, который ждал дольше других.
