Краткие теоретические сведения. В многозадачной (многопоточной) среде возникает проблема одновре­мен­ного доступа к одним и тем же ресурсам (данным) со стороны нескольких потоков

В многозадачной (многопоточной) среде возникает проблема одновре­мен­ного доступа к одним и тем же ресурсам (данным) со стороны нескольких потоков. В случае если конкретный ресурс не допускает такого использования, возникает конфликт, требующий разрешения. Это называют задачей синхро­ни­зации (взаимного исключения).

Критический ресурс – ресурс (объект, данные), который в силу своей физической природы либо логики использования не может быть доступен одно­временно нескольким пользователям. В зависимости от контекста речь может идти об определенном сочетании обращений или любых обращениях вообще (например, одновременное чтение допустимо, но одновременная запись или чтение и запись – нет).

Примерами критических ресурсов могут служить устройство вывода (одновременно выводимые данные нескольких источников будут перемешаны), записываемый файл (чтение до окончания записи дает неверные результаты), счетчик цикла (постороннее изменение нарушает работу цикла) и так далее.

Критическая секция – участок кода, выполняющий обращение или логи­чески связную последовательность обращений к критическому ресурсу. В зависимости от контекста может быть удобнее представлять, что критическая секция одна и определяется связью ее с критическим ресурсом, либо однотип­ные критические секции принадлежат различным пользователям, но связаны посредством единого критического ресурса.

В этих терминах задача исключения сводится к обеспечению единст­венности пользователя, находящегося внутри критической секции, связанной с данным критическим ресурсом.

Проблема усугубляется еще и тем, что проверка условий возможности доступа должна быть неотделима от самого доступа или хотя бы блокировки его для других пользователей, то есть атомарность. Так как прикладная программа обычно не может обеспечить это самостоятельно, много­задачные системы обязательно предоставляют механизмы синхронизации.

Простейшее средство исключения в Windows – объект CriticalSection. Он представляет собой обычную структуру и не имеет глобальной идентификации, поэтому может использоваться только потоками одного процесса. Исполь­зование CriticalSection выглядит в общем случае следующим образом:

CRITICAL_SECTION cs;

InitializeCriticalSection(&cs);

…

EnterCriticalSection(&cs);

… //защищенная критическая секция

LeaveCriticalSection(&cs);

…

DeleteCriticalSection(&cs);

Вызов EnterCriticalSection – попытка входа в критическую секцию. Если секция уже занята другим потоком, то поток блокируется до момента ее осво­бождения. Повторное вхождение в критическую секцию допускается толь­ко для одного и того же потока, что помогает избегать самоблокировок. Блоки­ровка управляется счетчиком, каждое вхождение в секцию увеличивает счет­чик, освобождение – уменьшает, поэтому их количество должно быть сбаланси­ровано.

Для синхронизации потоков разных процессов предусмотрены специ­альные объекты: Event, Mutex, Semaphore, WaitableTimer. Все они являются именованными и допускают глобальную идентификацию по именам.

Сам перевод потока в состояние ожидания осуществляется функциями WaitForSingleObject(), WaitForMultipleObjects() и их разновидностями. В зави­симости от параметров эти функции блокируют выполнение потока до обнаружения одного или нескольких переданных им объектов в состоянии «готовности» (signaled).

Объект «событие» (Event) – наиболее простая разновидность. Объекты создаются функцией CreateEvent() и бывают двух типов: «ручные» и «авто­матические». Открытие существующего объекта «событие» по его имени – OpenEvent(). Установка события (перевод в состояние signaled) происходит всегда явно функцией SetEvent(), сброс – для «ручных» событий явно, функ­цией ResetEvent(), для «автоматических» – автоматически при успешном вы­полне­нии Wait-функции. Также имеется функция PulseEvent() – временная установ­ка события, активизация всех ожидавших его потоков и автоматический сброс. Кроме того, объекты Event ассоциируются с файлами при организации асинхронного ввода-вывода.

Объект «мьютекс» (Mutex) – простейший двузначный семафор для организации критических секций. Принято считать, что он «захватывается» потоком, и если мьютекс в этот момент уже занят, очередной захватывающий его поток блокируется. Подобно CriticalSection, Mutex допускает повторный захват, но только одним и тем же потоком. Создание нового мьютекса – вызов CreateMutex(), открытие существующего по имени – OpenMutex(), осво­бож­де­ние – ReleaseMutex(), захват с возможной блокировкой – Wait-функции.

Объект «семафор» (Semaphore) – отличается от мьютекса тем, что является счетчиком и может принимать множество значений от нуля и выше. «Занятым» считается семафор с нулевым значением, с ненулевым – свобод­ным. При попытке опустить значение ниже нуля происходит блокировка. Работа семафора не зависит от того, разные потоки обращаются к нему или один и тот же. Создание нового семафора – вызов CreateSemaphore(), открытие сущест­вующего по имени – OpenSemaphore(), «подъём» счетчика (разблоки­рование) – ReleaseSemaphore(), проверка и «опускание», в том числе блоки­рование – Wait-функции.

Кроме специализированных объектов синхронизации Wait-функции мо­гут работать также и с другими объектами, например:

– процессы и потоки – ожидание завершения;

– файлы – ожидание окончания текущей операции, и так далее.

Контрольные вопросы

1. Что такое синхронизация доступа к ресурсам и зачем она нужна.

2. Объекты синхронизации в Win 32.

3. Объект синхронизации CriticalSection, его использование.

4. Функция WaitForSingleObject, ее параметры и возвращаемые значения. Использование данной функции.

5. Объект синхронизации Event, его создание, уничтожение и исполь­зование. Параметры данных функций.

6. Объекты Event с автоматическим сбросом.

7. Объект синхронизации Mutex, его создание, уничтожение и исполь­зование. Параметры данных функций.

8. Объект синхронизации Semaphore, его создание, уничтожение и ис­пользование. Параметры данных функций. Особенности данного объекта син­хронизации.

9. Отличие объекта синхронизации CriticalSection от объекта синхро­низации Event, Mutex, Semaphore.

 

Варианты заданий

В каждом из заданий необходимо создать несколько потоков и защищенный ресурс. Каждый из потоков должен делать следующее: проверить, свободен ли защищенный ресурс; если занят, то дождаться освобождения; если свободен, то занять его, выполнить какие-то действия (указанные в задании), сделать паузу на одну секунду и освободить ресурс. Если в задании указано два объекта синхронизации, то необходимо выполнить отдельную программу для каждого из них.

 

12.3.1. Каждый из трех потоков должен пытаться закрасить главное окно в свой цвет: первый – в синий, второй – в красный и третий – в зеленый. В результате каждую секунду цвет фона главного окна будет изменяться. Реализовать синхронизацию доступа к ресурсам через Event, а затем через CriticalSection.

 

12.3.2. Каждый из трех потоков должен пытаться закрасить главное окно в свой цвет: первый – в желтый, второй – в голубой и третий – в черный. В результате каждую секунду цвет фона главного окна будет изменяться. Реализовать синхронизацию доступа к ресурсам через Mutex, а затем через Semaphore.

 

12.3.3. На главном окне необходимо создать Edit. Каждый из трех потоков должен пытаться установить в данный Edit соответствующий текст: First, Second или Third. Реализовать синхронизацию доступа к ресурсам через Event, а затем через CriticalSection.

 

4. На главном окне необходимо создать Edit. Каждый из трех потоков должен пытаться установить в данный Edit соответствующий текст: String1, String2, String3. Реализовать синхронизацию доступа к ресурсам через Mutex, а затем через Semaphore.

 

12.3.5. На главном окне необходимо нарисовать движущуюся справа налево фигуру (например квадрат). Также необходимо создать два потока: первый из них будет опускать фигуру вниз, а второй – поднимать вверх. Синхронизацию доступа к ресурсам реали­зовать через Event, а затем через CriticalSection.

 

12.3.6. На главном окне необходимо нарисовать движущуюся сверху вниз фигуру. Также необходимо создать два потока: первый из них будет смещать фигуру влево, а второй вправо. Реализовать синхронизацию доступа к ресурсам через Mutex, а затем через Semaphore.

 

12.3.7. Создать четыре потока, каждый из которых будет пытаться вывести в центре окна свой текст: AAAA, BBBB, CCCC, DDDD. Реализовать синхронизацию доступа к выводу на окно через Event, а затем через CriticalSection.

 

12.3.8. Создать четыре потока, каждый из которых будет пытаться вы­вести в центре окна свой текст: XXXX, ZZZZ, TTTT, YYYY. Реализовать синхро­низацию доступа к выводу на окно через Mutex, а затем через Semaphore.

 

12.3.9. Создать три потока, каждый из которых будет пытаться вывести в центре окна свой рисунок: звездочку, квадратик, закрашенный эллипс. Реали­зовать синхронизацию доступа к выводу на окно через Event, а затем через CriticalSection.

 

12.3.10. Создать три потока, каждый из которых будет пытаться вывести в центре окна свой рисунок: домик, дерево, ромбик. Реализовать синхронии­зацию доступа к выводу на окно через Mutex, а затем через Semaphore.

 

12.3.11. Создать на окне элемент управления ListBox. Также создать два потока, каждый из которых будет добавлять в данный ListBox свой текст: First или Second. Реализовать синхронизацию доступа к ListBox через Event, а затем через CriticalSection.

 

12.3.12. Создать на окне элемент управления ListBox. Также создать два потока, каждый из которых будет добавлять в данный ListBox свой текст: First или Second. Реализовать синхронизацию доступа к ListBox через Mutex, а затем через Semaphore.

 

12.3.13. Создать три потока, каждый из которых будет двигать по окну слева направо паровозик. В каждый момент доступ к выводу на окно должен иметь только один поток. Реализовать синхронизацию доступа к выводу на окно через Event, а затем через CriticalSection.

 

12.3.14. Создать пять потоков, каждый из которых будет двигать по окну слева направо паровозик. В каждый момент доступ к выводу на окно должны иметь два потока. Реализовать синхронизацию доступа к выводу на окно через Semaphore.

 

12.3.15. Реализовать восемь потоков, каждый из которых рисует постепенно удлиняющийся луч. Все лучи должны исходить из одной точки и быть направлены под разными углами. В каждый момент должны двигаться только три луча. Реализовать синхронизацию доступа к выводу на окно через Semaphore.

Лабораторная работа №13
Приоритеты

Цели работы:

1) изучить систему приоритетов;

2) изучить средства управления приоритетами в ОС Windows;

3) практически изучить влияние приоритетов на выполнение приложе­ний и способы управления выполнение приложений посредством приоритетов.