Системное программирование в среде Windows

Подводя итоги, можно сделать вывод, что комбинация "автоматически сбрасываемое событие/SetEvent" представляет собой сигнальную модель CV, в которой освобождается единственный из ожидающих потоков, а комбинация "вручную сбрасываемое событие/PulseEvent" — широковещательную модель CV, в которой освобождаются все ожидающие потоки. Для потоков Pthreads существуют те же различия, но использование конечных интервалов ожидания событий для широковещательной модели в данном случае не требуется, тогда как в Windows этот фактор является весьма существенным, поскольку освобождение мьютекса и ожидание события не выполняются атомарно, то есть за одну операцию. В то же время, введение функции SignalObjectAndWait меняет эту ситуацию.

Пример предиката переменной условия

Рассмотрим следующий предикат переменной условия:

State.StateVar.Count >= K;

В данном случае поток потребителя будет ожидать до тех пор, пока значение счетчика не станет достаточно большим, и поток производителя может увеличивать это значение на произвольную величину. Отсюда, например, становится понятным, как можно реализовать сложные семафоры; вспомните, что обычные семафоры не допускают атомарного выполнения нескольких функций ожидания. В данном же случае поток потребителя может просто уменьшить значение счетчика на К единиц после выхода из цикла, но перед тем, как освободить мьютекс.

Заметьте, что в данном случае подходит широковещательная модель CV, поскольку один поток производителя может увеличить значение счетчика и тем самым разрешить выполнение нескольким, но не всем ожидающим потокам потребителя.

Семафоры и модель переменных условий

В некоторых случаях уместнее использовать не события, а семафоры, преимущество которых заключается в том, что они позволяют указывать точное количество потоков, которые необходимо освободить. Например, если бы было известно, что каждый из потоков потребителя может получить только одно сообщение, то поток производителя мог бы вызвать функцию ReleaseSemaphore, используя в качестве параметра точное количество сгенерированных сообщений. Однако в общем случае потоку производителя ничего не известно о том, каким образом отдельные потоки потребителя изменят структуру переменной состояния, и поэтому модель переменных условий применима для решения более широкого круга задач.

Модель CV обладает достаточно мощными возможностями, которых хватает для реализации семафоров. Как уже отмечалось ранее, в основе этого метода лежит определение предиката, эквивалентного утверждению: "значение счетчика является ненулевым", и создание структуры состояния, содержащей текущее значение счетчика и его максимально допустимое значение. В упражнении 10.11 представлено завершенное решение, позволяющее манипулировать функциями ожидания путем изменения значений счетчика на несколько единиц одной операцией. Создание семафоров для потоков Pthreads не предусмотрено, поскольку переменные условий предоставляют достаточно широкие возможности. 

Использование функции SignalObjectAndWait

Цикл, выполняемый потоком потребителя в предшествующем фрагменте кода, играет очень важную роль в модели CV, поскольку в нем выполняется ожидание изменения состояния, а затем проверяется, является ли состояние именно тем, какое требуется. Последнее условие может не выдерживаться, если событие оказывается слишком обобщенным, указывая, например, только на сам факт изменения состояния, а не на характеристики такого изменения. К тому же, другие потоки могут дополнительно изменить состояние, например, очистить буфер сообщений. Упомянутый цикл требовал выполнения двух функций ожидания и одной функции освобождения мьютекса, как показано ниже.

while (!cvp(&State)) {

 ReleaseMutex(State.Guard);

 WaitForSingleObject(State.CvpSet, TimeOut);

 WaitForSingleObject(State.Guard, INFINITE);

}

Использование конечного интервала ожидания (time-out) при выполнении первой функции ожидания (ожидание события) требуется здесь для того, чтобы избежать потери сигналов или возникновения других вероятных проблем. Этот код будет работать как под управлением Windows 9x, так и под управлением Windows NT 3.5 (еще одна устаревшая версия Windows), а предыдущий фрагмент кода сохранит свою работоспособность и в том случае, если мьютексы заменить объектами CS.

Однако в случае Windows NT 5.x (XP, 2000 и Server 2003) и даже Windows NT 4.0 мы можем использовать функцию SignalObjectAndWait — важный элемент усовершенствования, который избавляет от необходимости применения конечных интервалов ожидания и объединяет освобождение мьютекса и ожидание события. При этом кроме явного упрощения программы, производительность в общем случае повышается, что объясняется устранением системного вызова и отсутствием необходимости в настройке длительности интервала ожидания.