Критические секции (стр. 1 из 4)

Павел Блудов

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:

// Нить №1void Proc1(){ if (m_pObject) m_pObject->SomeMethod();}// Нить №2void Proc2(IObject *pNewObject){ if (m_pObject) delete m_pObject;m_pObject = pNewobject;}

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.

// Нить №1void Proc1(){ ::EnterCriticalSection(&m_lockObject); if (m_pObject) m_pObject->SomeMethod(); ::LeaveCriticalSection(&m_lockObject);}// Нить №2void Proc2(IObject *pNewObject){ ::EnterCriticalSection(&m_lockObject); if (m_pObject) delete m_pObject; m_pObject = pNewobject;::LeaveCriticalSection(&m_lockObject);}

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.

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

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION { PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo; // ИспользуетсяоперационнойсистемойLONG LockCount; // Счетчик использования этой критической секции LONG RecursionCount; // Счетчик повторного захвата из нити-владельца HANDLE OwningThread; // Уникальный ID нити-владельца HANDLE LockSemaphore; // Объект ядра используемый для ожидания ULONG_PTR SpinCount; // Количество холостых циклов перед вызовом ядра} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_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.

СОВЕТНе 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.

// Нить №1void Proc1(){ ::EnterCriticalSection(&m_lock); //. .. Proc2() //. .. ::LeaveCriticalSection(&m_lock);}// Всеещенить №1void Proc2(){ ::EnterCriticalSection(&m_lock);//. .. ::LeaveCriticalSection(&m_lock);}

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.

ПРИМЕЧАНИЕВсе 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.

Листинг 1. Псевдокод RtlInitializeCriticalSection из ntdll.dll

VOID RtlInitializeCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs){ RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount(pcs, 0)}VOID RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount( LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs, DWORD dwSpinCount){ pcs->DebugInfo = NULL; pcs->LockCount = -1; pcs->RecursionCount = 0; pcs->OwningThread = 0; pcs->LockSemaphore = NULL; pcs->SpinCount = dwSpinCount; if (0x80000000 & dwSpinCount)_CriticalSectionGetEvent(pcs);}

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.

Листинг 2. Псевдокод RtlSetCriticalSectionSpinCount из ntdll.dll

DWORD RtlSetCriticalSectionSpinCount( LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs, DWORD dwSpinCount){ DWORD dwRet = pcs->SpinCount; pcs->SpinCount = dwSpinCount;return dwRet;}

VOID DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

Освобождает ресурсы, занимаемые критической секцией.

Листинг 3. Псевдокод RtlDeleteCriticalSection из ntdll.dll

VOID RtlDeleteCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs){ pcs->DebugInfo = NULL; pcs->LockCount = -1; pcs->RecursionCount = 0; pcs->OwningThread = 0; if (pcs->LockSemaphore) { ::CloseHandle(pcs->LockSemaphore); pcs->LockSemaphore = NULL;}}

VOID EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

BOOL TryEnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);