Главная » Linux

Critical section c linux

Содержание
  1. Критические секции в С++
  2. Критические секции
  3. Введение
  4. Работа с критическими секциями
  5. Структура RTL_CRITICAL_SECTION
  6. Классы-обертки для критических секций
  7. Отладка критических секций
  8. Ошибки, связанные с реализацией
  9. Архитектурные ошибки
  10. Способы обнаружения ошибок
  11. Сменим тему
  12. MC++ (управляемый C++)
  13. Delphi
  14. Подведем итоги

Критические секции в С++

Теперь я расскажу вам, что такое критическая секция, зачем она нужна и как ее использовать. Конечно же статья будет о многопоточном программировании и увы только под Windows. Я буду использовать Windows7 x64 + VS2010 SP1. Для начала напишем очень простое приложение в несколько потоков.

И так, функция _beginthread как вы наверно уже догадались создает новый поток ее прототип:

Параметр start_address задает функцию потока, параметр stack_size — размер стека ну и arglist — список аргументов передаваемых потоку. Если поток удачно запущен, он вернет его идентификатор(handle).

  1. Создаем функцию для потока, которая должна возвращать void и принимать в качестве аргументов void* (это для случая с _beginthread);
  2. В главном потоке(или в любом другом) с помощью _beginthread запускам экземпляры потоков;

Все ну очень просто.

Что же такое критическая секция? Критическая секция — э то объект для синхронизации данных между потоками, то есть она не позволяет выполнять некие действия одновременно. Программист сам решает что «заключить» в критическую секцию. Как с ним работать?

В книге Джеффри Рихтера «Windows для профессионалов», автор приводит такой пример:

Так как я пишу эти строки в самолете, позвольте провести следующую аналогию. Структура CRITICAL_SECTION похожа на туалетную кабинку в самолете, а данные, которые нужно 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, вызывайте EnterCriticaSection, передавая ей адрес структуры CRITICAL_SECTION, которая 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 определит, 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 будет считать, что ресурс все еще занят, и не позволит обратиться к нему другим ждущим потокам, То есть Вы вышли из кабинки и оставили на двери знак «занято».

Давайте создадим простую программу. В ней будет массив, и доступ к нему из разных потоков.

Результат работы программы на изображении справа.

Как видно каждый поток по очереди изменил массив чисел, при этом никаких ошибок по поводу доступа к памяти не возникло и программа отработала корректно!

  1. Создаем для каждого нужного объекта свою критическую секцию;
  2. Инициализируем секции перед тем, как работать с ними;
  3. Для того, что бы начать работу с объектом вызываем функцию EnterCriticalSection и передаем ей связанную(абстрактно) с объектом критическую секцию;
  4. После окончания работы с объектом, выходим из необходимой критической секции с помощью функции LeaveCriticalSection;
  5. Когда уже точно известно, что потоки больше не будут использовать критическую секцию, можем ее удалить с помощью функции DeleteCriticalSection.
  6. ПРОФИТ!

Источник

Критические секции


Автор: Павел Блудов
The RSDN Group
Источник: RSDN Magazine #6-2004

Опубликовано: 14.03.2005
Исправлено: 10.12.2016
Версия текста: 1.2

Введение

Критические секции — это объекты, используемые для блокировки доступа всех нитей (threads) приложения, кроме одной, к некоторым важным данным в один момент времени. Например, имеется переменная m_pObject и несколько нитей, вызывающих методы объекта, на который ссылается m_pObject, причем эта переменная может изменять свое значение время от времени. Иногда там даже оказывается нуль. Предположим, имеется вот такой код:

Тут мы имеем потенциальную опасность вызова m_pObject->SomeMethod() после того, как объект был уничтожен при помощи delete m_pObject . Дело в том, что в системах с вытесняющей многозадачностью выполнение любой нити процесса может прерваться в самый неподходящий для нее момент времени, и начнет выполняться совершенно другая нить. В данном примере неподходящим моментом будет тот, в котором нить №1 уже проверила m_pObject , но еще не успела вызвать SomeMethod() . Выполнение нити №1 прервалось, и начала исполняться нить №2. Причем нить №2 успела вызвать деструктор объекта. Что же произойдет, когда нить №1 получит немного процессорного времени и вызовет-таки SomeMethod() у уже несуществующего объекта? Наверняка что-то ужасное.

Именно тут приходят на помощь критические секции. Перепишем наш пример.

Код, помещенный между ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection() с одной и той же критической секцией в качестве параметра, никогда не будет выполняться параллельно. Это означает, что если нить №1 успела «захватить» критическую секцию m_lockObject, то при попытке нити №2 заполучить эту же критическую секцию в свое единоличное пользование, ее выполнение будет приостановлено до тех пор, пока нить №1 не «отпустит» m_lockObject при помощи вызова ::LeaveCriticalSection(). И наоборот, если нить №2 успела раньше нити №1, то та «подождет», прежде чем начнет работу с m_pObject .

Читайте также:  Внутренний картридер для windows 10

Работа с критическими секциями

Что же происходит внутри критических секций и как они устроены? Прежде всего, следует отметить, что критические секции – это не объекты ядра операционной системы. Практически вся работа с критическими секциями происходит в создавшем их процессе. Из этого следует, что критические секции могут быть использованы только для синхронизации в пределах одного процесса. Теперь рассмотрим критические секции поближе.

Структура RTL_CRITICAL_SECTION

Поле LockCount увеличивается на единицу при каждом вызове ::EnterCriticalSection() и уменьшается при каждом вызове ::LeaveCriticalSection(). Это первая (а часто и единственная проверка) на пути к «захвату» критической секции. Если после увеличения в этом поле находится ноль, это означает, что до этого момента непарных вызовов ::EnterCriticalSection() из других ниток не было. В этом случае можно забрать данные, охраняемые этой критической секцией в монопольное пользование. Таким образом, если критическая секция интенсивно используется не более чем одной нитью, ::EnterCriticalSection() практически вырождается в ++LockCount , а ::LeaveCriticalSection() в —LockCount . Это очень важно. Это означает, что использование многих тысяч критических секций в одном процессе не повлечет значительного расхода ни системных ресурсов, ни процессорного времени.

СОВЕТ

Не стоит экономить на критических секциях. Много cэкономить все равно не получится.

В поле RecursionCount хранится количество повторных вызовов ::EnterCriticalSection() из одной и той же нити. Действительно, если вызвать ::EnterCriticalSection() из одной и той же нити несколько раз, все вызовы будут успешны. Т.е. вот такой код не остановится навечно во втором вызове ::EnterCriticalSection(), а отработает до конца.

Действительно, критические секции предназначены для защиты данных от доступа из нескольких ниток. Многократное использование одной и той же критической секции из одной нити не приведет к ошибке. Это вполне нормальное явление. Следите, чтобы количество вызовов ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection() совпадало, и все будет хорошо.

Поле OwningThread содержит 0 для никем не занятых критических секций или уникальный идентификатор нити-владельца. Это поле проверяется, если при вызове ::EnterCriticalSection() поле LockCount после увеличения на единицу оказалось больше нуля. Если OwningThread совпадает с уникальным идентификатором текущей нити, то RecursionCount просто увеличивается на единицу и ::EnterCriticalSection() возвращается немедленно. Иначе ::EnterCriticalSection() будет дожидаться, пока нить, владеющая критической секцией, не вызовет ::LeaveCriticalSection() необходимое количество раз.

Поле LockSemaphore используется, если нужно подождать, пока критическая секция освободится. Если LockCount больше нуля, и OwningThread не совпадает с уникальным идентификатором текущей нити, то ждущая нить создает объект ядра (событие) и вызывает ::WaitForSingleObject( LockSemaphore ). Нить-владелец, после уменьшения RecursionCount, проверяет его, и если значение этого поля равно нулю, а LockCount больше нуля, то это значит, что есть как минимум одна нить, ожидающая, пока LockSemaphore не окажется в состоянии «случилось!». Для этого нить-владелец вызывает ::SetEvent(), и какая-то одна ( только одна ) из ожидающих ниток пробуждается и получает доступ к критическим данным.

WindowsNT/2k генерирует исключение, если попытка создать событие не увенчалась успехом. Это верно как для функций ::Enter/LeaveCriticalSection(), так и для ::InitializeCriticalSectionAndSpinCount() с установленным старшим битом параметра SpinCount. Но только не в WindowsXP. Разработчики ядра этой операционной системы поступили по-другому. Вместо генерации исключения, функции ::Enter/LeaveCriticalSection(), если не могут создать собственное событие, начинают использовать заранее созданный глобальный объект. Один на всех. Таким образом, в случае катастрофической нехватки системных ресурсов, программа под управлением WindowsXP ковыляет какое-то время дальше. Действительно, писать программы, способные продолжать работать после того, как ::EnterCriticalSection() сгенерировала исключение, чрезвычайно сложно. Как правило, если программистом и предусмотрен такой поворот событий, то дальше вывода сообщения об ошибке и аварийного завершения программы дело не идет. Как следствие, WindowsXP игнорирует старший бит поля LockCount.

И, наконец, поле SpinCount . Это поле используется только многопроцессорными системами. В однопроцессорных системах, если критическая секция занята другой нитью, можно только переключить управление на нее и подождать наступления события. В многопроцессорных системах есть альтернатива: прогнать некоторое количество раз холостой цикл, проверяя каждый раз, не освободилась ли наша критическая секция. Если за SpinCount раз это не получилось, переходим к ожиданию. Это гораздо эффективнее, чем переключение на планировщик ядра и обратно. Кроме того, в WindowsNT/2k старший бит этого поля служит для индикации того, что объект ядра, хендл которого находится в поле LockSemaphore, должен быть создан заранее. Если системных ресурсов для этого недостаточно, система сгенерирует исключение, и программа может «урезать» свою функциональность. Или совсем завершить работу.

ПРИМЕЧАНИЕ

Все это верно для Windows NT/2k/XP. В Windows 9x/Me используется только поле LockCount. Там находится указатель на объект ядра, возможно, просто взаимоисключение (mutex). Все остальные поля равны нулю.

API для работы с критическими секциями

BOOL InitializeCriticalSection (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection );

BOOL InitializeCriticalSectionAndSpinCount (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection , DWORD dwSpinCount );

Заполняют поля структуры, адресуемой lpCriticalSection. После вызова любой из этих функций критическая секция готова к работе.

DWORD SetCriticalSectionSpinCount (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection , DWORD dwSpinCount );

Устанавливает значение поля SpinCount и возвращает его предыдущее значение. Напоминаю, что старший бит отвечает за «привязку» события, используемого для ожидания доступа к данной критической секции.

VOID DeleteCriticalSection (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection );

Освобождает ресурсы, занимаемые критической секцией.

VOID EnterCriticalSection (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection );

BOOL TryEnterCriticalSection (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection );

Осуществляют «захват» критической секции. Если критическая секция занята другой нитью, то ::EnterCriticalSection() будет ждать, пока та освободится, а ::TryEnterCriticalSection() вернет FALSE. Отсутствует в Windows 9x/ME.

VOID LeaveCriticalSection (LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection );

Освобождает критическую секцию,

Классы-обертки для критических секций

Классы CLock и CAutoLock удобно использовать для синхронизации доступа к переменным класса, а CScopeLock предназначен, в основном, для использования в процедурах. Удобно, что компилятор сам позаботится о вызове ::LeaveCriticalSection() через деструктор.

Отладка критических секций

Весьма интересное и увлекательное занятие. Можно потратить часы и недели, но так и не найти, где именно возникает проблема. Стоит уделить этому особо пристальное внимание. Ошибки, связанные с критическими секциями, бывают двух типов: ошибки реализации и архитектурные ошибки.

Ошибки, связанные с реализацией

Это довольно легко обнаруживаемые ошибки, как правило, связанные с непарностью вызовов ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection().

::LeaveCriticalSection() без ::EnterCriticalSection() приведет к тому, что первый же вызов ::EnterCriticalSection() остановит выполнение нити навсегда.

В этом примере, конечно, имеет смысл воспользоваться классом типа CScopeLock.

Кроме того, случается, что ::EnterCriticalSection() вызывается без инициализации критической секции с помощью ::InitializeCriticalSection(). Особенно часто такое случается с проектами, написанными с помощью ATL. Причем в debug-версии все работает замечательно, а release-версия рушится. Это происходит из-за так называемой «минимальной» CRT (_ATL_MIN_CRT), которая не вызывает конструкторы статических объектов (Q166480, Q165076). В ATL версии 7.0 эту проблему решили.

Еще я встречал такую ошибку: программист пользовался классом типа CScopeLock, но для экономии места называл эту переменную одной буквой:

и как-то раз просто пропустил имя у переменной. Получилось

Что это означает? Компилятор честно сделал вызов конструктора CScopeLock и тут же уничтожил этот безымянный объект, как и положено по стандарту. Т.е. сразу же после вызова метода Lock() последовал вызов Unlock(), и синхронизация перестала иметь место. Вообще, давать переменным, даже локальным, имена из одной буквы – путь быстрого наступления на всяческие грабли.

СОВЕТ

Если у вас в процедуре больше одного цикла, то вместо int i,j,k стоит все-таки использовать что-то вроде int nObject, nSection, nRow.

Архитектурные ошибки

Самая известная из них – это взаимоблокировка (deadlock), когда две нити пытаются захватить две или более критических секций, причем делают это в разном порядке.

Проблемы могут возникнуть и при. копировании критических секций. Понятно, что вот такой код вряд ли сможет написать программист в здравом уме и памяти:

Из такого присвоения трудно извлечь какую-либо пользу. А вот такой код иногда пишут:

и все бы хорошо, если бы у структуры SData был конструктор копирования, например такой:

Но нет, программист посчитал, что хватит за глаза простого копирования полей, и, в результате, переменная m_lock была просто скопирована, хотя именно в этот момент из другой нити она была «захвачена», и значение поля LockCount у нее в этот момент больше либо равно нулю. После вызова ::LeaveCriticalSection() в той нити, у исходной переменной m_lock значение поля LockCount уменьшилось на единицу. А у скопированной переменной – осталось прежним. И любой вызов ::EnterCriticalSection() в этой нити никогда не вернется. Он будет вечно ждать неизвестно чего.

Это только цветочки. С ягодками вы очень быстро столкнетесь, если попытаетесь написать что-нибудь действительно сложное. Например, ActiveX-объект в многопоточном подразделении (MTA), создаваемый из скрипта, запущенного из-под контейнера, размещенного в однопоточном подразделении (STA). Ни слова не понятно? Не беда. Сейчас я попытаюсь выразить проблему более понятным языком. Итак. Имеется объект, вызывающий методы другого объекта, причем живут они в разных нитях. Вызовы производятся синхронно. Т.е. объект №1 переключает выполнение на нить объекта №2, вызывает метод и переключается обратно на свою нить. При этом выполнение нити №1 приостановлено до тех пор, пока не отработает нить объекта №2. Теперь, положим, объект №2 вызывает метод объекта №1 из своей нити. Получается, что управление вернулось в объект №1, но из нити объекта №2. Если объект №1 вызывал метод объекта №2, захватив какую-либо критическую секцию, то при вызове метода объекта №1 тот заблокирует сам себя при повторном входе в ту же критическую секцию.

Если бы в примере не было переключения нитей, все вызовы произошли бы в нити объекта №1, и никаких проблем не возникло. Сильно надуманный пример? Ничуть. Именно переключение ниток лежит в основе подразделений (apartments) COM. А из этого следует одно очень, очень неприятное правило.

СОВЕТ

Избегайте вызовов каких бы то ни было объектов при захваченных критических секциях.

Помните пример из начала статьи? Так вот, он абсолютно неприемлем в подобных случаях. Его придется переделать на что-то вроде примера, приведенного в листинге 12.

Доступ к объекту по-прежнему синхронизован, но вызов SomeMethod(); происходит вне критической секции. Победа? Почти. Осталась одна маленькая деталь. Давайте посмотрим, что происходит в Proc2():

Очевидно, что вызовы m_pObject.p->AddRef(); и m_pObject.p->Release(); происходят внутри критической секции. И если вызов метода AddRef(), как правило, безвреден, то вызов метода Release() может оказаться последним вызовом Release(), и объект самоуничтожится. В методе FinalRelease() объекта №2 может быть все что угодно, например, освобождение объектов, живущих в других подразделениях. А это опять приведет к переключению ниток и может вызвать самоблокировку объекта №1 по уже известному сценарию. Придется воспользоваться той же техникой, что и в методе Proc1():

Теперь потенциально последний вызов IObject2::Release() будет осуществлен после выхода из критической секции. А присвоение нового значения по-прежнему синхронизовано с вызовом IObject2::SomeMethod() из нити №1.

Способы обнаружения ошибок

Сначала стоит обратить внимание на «официальный» способ обнаружения блокировок. Если бы кроме ::EnterCriticalSection() и ::TryEnterCtiticalSection() существовал еще и ::EnterCriticalSectionWithTimeout(), то достаточно было бы просто указать какое-нибудь резонное значение для интервала ожидания, например, 30 секунд. Если критическая секция не освободилась в течение указанного времени, то с очень большой вероятностью она не освободится никогда. Имеет смысл подключить отладчик и посмотреть, что же творится в соседних нитях. Но увы. Никаких ::EnterCriticalSectionWithTimeout() в Win32 не предусмотрено. Вместо этого есть поле CriticalSectionDefaultTimeout в структуре IMAGE_LOAD_CONFIG_DIRECTORY32 , которое всегда равно нулю и, судя по всему, не используется. Зато используется ключ в реестре «HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\CriticalSectionTimeout», который по умолчанию равен 30 суткам, и по истечению этого времени в системный лог попадает строка «RTL: Enter Critical Section Timeout (2 minutes)\nRTL: Pid.Tid XXXX.YYYY, owner tid ZZZZ\nRTL: Re-Waiting\n». К тому же это верно только для систем WindowsNT/2k/XP и только с CheckedBuild . У вас установлен CheckedBuild ? Нет? А зря. Вы теряете исключительную возможность увидеть эту замечательную строку.

Ну, а какие у нас альтернативы? Да, пожалуй, только одна. Не использовать API для работы с критическими секциями. Вместо них написать свои собственные. Пусть даже не такие обточенные напильником, как в Windows NT. Не страшно. Нам это понадобится только в debug-конфигурациях. В release’ах мы будем продолжать использовать оригинальный API от Майкрософт. Для этого напишем несколько функций, полностью совместимых по типам и количеству аргументов с «настоящим» API, и добавим #define, как у MFC, для переопределения оператора new в debug-конфигурациях.

Ну и заодно добавим еще один метод в наш класс Clock (листинг 15).

Использовать метод Check() в release-конфигурациях не стоит, возможно, что в будущем, в какой-нибудь Windows64, структура RTL_CRITICAL_SECTION изменится, и результат такой проверки будет не определен. Так что ему самое место «жить» внутри всяческих ASSERT’ов.

Итак, что мы имеем? Мы имеем проверку на лишний вызов ::LeaveCriticalSection() и ту же трассировку для блокировок. Не так уж много. Особенно если трассировка о блокировке имеет место, а вот нить, забывшая освободить критическую секцию, давно завершилась. Как быть? Вернее, что бы еще придумать, чтобы ошибку проще было выявить? Как минимум, прикрутить сюда __LINE__ и __FILE__, константы, соответствующие текущей строке и имени файла на момент компиляции этого метода.

Компилируем, запускаем. Результат удивительный. Хотя правильный. Компилятор честно подставил номер строки и имя файла, соответствующие началу нашей EnterCriticalSectionDbg(). Так что придется попотеть немного больше. __LINE__ и __FILE__ нужно вставить в #define’ы, тогда мы получим действительные номер строки и имя исходного файла. Теперь вопрос, куда же сохранить эти параметры для дальнейшего использования? Причем хочется оставить за собой возможность вызова стандартных функций API наряду с нашими собственными? На помощь приходит C++: просто создадим свою структуру, унаследовав ее от RTL_CRITICAL_SECTION (листинг 16).

Приводим наши классы в соответствие (листинг 17).

К сожалению, пришлось даже переопределить CScopeLock lock(cs), причем жестко привязаться к имени переменной. Не стоит говорить о том, что наверняка получился конфликт имен — все-таки Lock довольно популярное название для метода. Такой код не будет собираться, например, с популярнейшей библиотекой ATL. Тут есть два способа. Переименовать методы Lock() и TryLock() во что-нибудь более уникальное, либо переименовать Lock() в ATL:

Сменим тему

А что это мы все про Win32 API да про C++? Давайте посмотрим, как обстоят дела с критическими секциями в более современных языках программирования.

Тут стараниями Майкрософт имеется полный набор старого доброго API под новыми именами.

Критические секции представлены классом System.Threading.Monitor , вместо ::EnterCriticalSection() есть Monitor.Enter(object), а вместо ::LeaveCriticalSection() Monitor.Exit(object), где object – это любой объект C#. Т.е. каждый объект где-то в потрохах CLR (Common Language Runtime) имеет свою собственную критическую секцию либо заводит ее по необходимости. Типичное использование этой секции выглядит так:

Если нужно организовать отдельную критическую секцию для какой-либо переменной, самым логичным способом будет поместить ее в отдельный объект и использовать этот объект как аргумент при вызове Monitor.Enter/Exit(). Кроме того, в C# существует ключевое слово lock , это полный аналог нашего класса CScopeLock.

А вот Monitor.TryEnter() в C# (о, чудо!) принимает в качестве параметра максимальный период ожидания.

Замечу, что CLR – это не только C#, все это применимо и к другим языкам, использующим CLR.

В этом языке используется подобный механизм, только место ключевого слова lock есть ключевое слово synchronized , а все остальное – точно так же.

MC++ (управляемый C++)

Тут тоже появился атрибут [synchronized] ведущий себя точно так же, как и одноименное ключевое слово из Java. Странно, что архитекторы из Майкрософт решили позаимствовать синтаксис из продукта от Sun Microsystems вместо своего собственного.

Delphi

Практически все, что верно для C++, верно и для Delphi. Критические секции представлены объектом TCriticalSection . Собственно, это такая же обертка как и наш класс CLock.

Кроме того, в Delphi присутствует специальный объект TMultiReadExclusiveWriteSynchronizer с названием, говорящим само за себя.

Подведем итоги

Итак, что нужно знать о критических секциях:

  • Критические секции работают быстро и не требуют большого количества системных ресурсов.
  • Для синхронизации доступа к нескольким (независимым) переменным лучше использовать несколько критических секций, а не одну для всех.
  • Код, ограниченный критическими секциями, лучше всего свести к минимуму.
  • Находясь в критической секции, не стоит вызывать методы «чужих» объектов.

Источник

Читайте также:  Acestream для windows 10
Оцените статью
© 2024 Советы по настройке компьютера