Скажем, вы не хотите, чтобы на кухне находилось одновременно более двух человек. Смогли бы вы это реализовать с помощью мутекса? В пределах принятого определения — нет. Почему нет? Это действительно очень интересная проблема в нашей аналогии с домом. Давайте разобьем возникшую проблему на части и проанализируем ситуацию поэтапно.
Семафор с единичным счетчиком
В ванной комнате возможна одна из двух ситуаций, каждая из которых характеризуется двумя жестко взаимосвязанными состояниями:
• дверь открыта, и в ванной никого нет;
• дверь закрыта, и в помещении находится один человек.
Здесь никакая другая комбинация состояний невозможна — в пустом помещении дверь не может быть никем заперта изнутри (иначе как мы бы ее тогда открыли?), и дверь не может быть открыта кем-либо вне ванной (иначе как бы мы тогда обеспечили приватность использования?). Это и есть пример семафора с единичным значением счетчика — в помещении может находиться не более одного человека, или, иными словами, только один поток может использовать семафор.
Ключевым здесь (прошу прощения за каламбур) является подход к определению замка. В типовой ванной комнате вы сможете запереть и отпереть дверь только изнутри — снаружи средств для этого не предусмотрено. В действительности это означает что блокировка мутекса — это атомарная операция, и невозможна ситуация, в которой, пока вы находитесь в процессе блокировки мутекса, его заблокирует некоторый другой поток, так что в результате вы оба стали бы владельцами этого мутекса. В наше аналогии с жилым домом это не так очевидно — хотя бы потому, что люди гораздо умнее, чем нули и единицы.
Что нам действительно потребуется на кухне, так это замок другого типа.
Семафор с не-единичным счетчиком
Предположим, что мы установили в двери на кухне обычный, открываемый ключом замок. Принцип работы этого замка заключается в том, что если у вас есть ключ, вы можете отпереть дверь и войти. Любой, кто использует этот замок, должен быть согласен с тем, что, войдя, он немедленно запрет дверь изнутри, чтобы любому, кто находится вне кухни, для входа всегда требовался бы ключ.
Ну вот, теперь управлять количеством людей, которых мы пожелали бы одновременно видеть на кухне, становится весьма легким делом — достаточно просто повесить на дверь снаружи несколько ключей. Напоминаем, что кухня должна быть всегда закрыта! Когда кто-либо пожелает попасть на кухню, он увидит, что на двери кухни висит ключ. Если это так, он возьмет этот ключ, откроет им дверь, войдет внутрь и этим же ключом закроет дверь изнутри.
Поскольку человек, входящий на кухню, должен взять ключ с собой (без этого он просто не сможет закрыть дверь изнутри), получается, что, ограничивая число висящих снаружи ключей, мы можем непосредственно управлять количеством людей, которым позволено быть на кухне в любой заданный момент времени.
При операциях с потоками подобный механизм реализуется путем применения семафоров. «Простые» семафоры работают точно так же, как и мутексы. Вы либо являетесь владельцем мутекса — в этом случае вы имеете доступ к ресурсу, — или нет — тогда вы не имеете доступа. Семафор, описанный выше в аналогии с доступом на кухню, является семафором со счетчиком. Такой семафор отслеживает состояние своего внутреннего счетчика обращений (т.е. число ключей, доступных потокам).
Мы только что задали себе вопрос: «Смогли бы мы реализовать блокировку со счетом с помощью мутекса?» Ответ был отрицательный. А если наоборот? Смогли бы мы использовать семафор в качестве мутекса?
Да, смогли бы. В действительности в некоторых операционных системах так все и делается — никаких мутексов, одни семафоры! Зачем тогда вообще беспокоиться о мутексах?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим ситуацию в нашей аналогии с ванной комнатой. Как строитель вашего дома реализовал мутекс? Я подозреваю, что в вашем доме нет ключей, которые вешались бы на двери снаружи.
Мутексы — это семафоры «специального назначения». Если вы пожелаете, чтобы в определенном месте программы выполнялся только один поток, эффективнее всего было бы реализовать это при помощи мутекса.
Позже мы рассмотрим и другие способы синхронизации потоков — объекты, которые называются условными переменными (condvar), барьерами (barrier) и ждущими блокировками (sleepon).
Чтобы не возникло путаницы, необходимо также иметь в виду, что мутекс имеет и другие свойства (например наследование приоритетов), отличающие его от семафора.
Наша аналогия с процессами в жилом доме прекрасна для объяснения концепций синхронизации, но бесполезна при анализе одной очень важной проблемы. В доме у нас было много потоков, работающих одновременно. Однако в реальной жизненной ситуации обычно имеется только один процессор, так что только один объект может реально работать в одно и то же время.
Давайте рассмотрим, что происходит в реальном мире, и особенно в ситуации «экономии», где в системе есть только один процессор. В этом случае, поскольку имеется только один процессор, в любой заданный момент времени может выполняться только один поток. Ядро решает (с учетом ряда правил, которые мы кратко рассмотрим), какой поток должен выполняться, и запускает его.
Несколько процессоров — симметричная мультипроцессорная система (SMP)
Если вы покупаете систему, в которой имеется множество идентичных процессоров, совместно использующих одну и ту же память и устройства, это означает, что у вас есть блок SMP. (SMP расшифровывается как «Symmetrical Multi-Processor» — «симметричный мультипроцессор»; с помощью слова «симметричный» подчеркивается, что все центральные процессоры, применяемые в системе, являются идентичными.) В таком случае число потоков, которые могут работать одновременно, ограничено количеством процессоров. (Кстати, в случае с одним процессором была та же самая ситуация!) Поскольку каждый процессор может одновременно обрабатывать только один поток, в ситуации с применением множества процессоров несколько потоков могут работать одновременно. Давайте пока абстрагируемся от числа процессоров в системе — при проектировании системы бывает полезно считать, что несколько потоков могут выполняться одновременно, даже если это и не происходит в реальной ситуации. Несколько позже в разделе «На что следует обратить внимание при использовании SMP» мы рассмотрим кое-какие неочевидные особенности симметричного мультипроцессирования.
Так кто же определяет, который из потоков должен выполняться в данный момент времени? Этим занимается ядро.
Ядро определяет, который из потоков должен использовать процессор в данный момент времени и переключает контекст на этот поток. Давайте посмотрим, что ядро при этом делает с процессором.
Процессор имеет несколько регистров (точное их число зависит от принадлежности процессора к серии, например, сравните процессор x86 с процессором MIPS, а характерный представитель серии, например, процессор 80486 — с процессором Pentium). В тот момент, когда поток выполняется, информация о нем хранится в указанных регистрах (например, данные о размещении программы в памяти).
Когда же ядро принимает решение о том, что должен выполняться другой поток, оно должно сделать следующее:
1. Сохранить текущее состояние регистров активного потока и другую контекстную информацию.
2. Записать в регистры информацию для нового потока, а также загрузить новый контекст.
Как ядро принимает решение о том, что должен выполняться другой поток? Оно анализирует, действительно ли в данный момент времени данный поток готов к использованию процессора. Когда мы обсуждали, например, мутексы, мы говорили о состояниях блокировки (это происходило в тех случаях, когда поток пытался завладеть мутексом, уже принадлежащим другому потоку, и поэтому блокировался). Таким образом, с точки зрения ядра мы имеем один поток, который может использовать процессор, и другой поток, которые не может этого делать, потому что он заблокирован в ожидании мутекса. В этом случае ядро предоставляет процессор потоку, который готов к работе, а другой поток заносит в свой внутренний список (чтобы можно было отслеживать отслеживал запрос потока на мутекс).
Очевидно, это не очень-то интересная ситуация. Предположим, что готовы к выполнению сразу несколько потоков. Вспомним, не мы ли делегировали доступ к мутексу на основе приоритета и продолжительности ожидания? Ядро тоже использует подобную схему для определения того, который из потоков должен работать следующим. При этом играют роль два фактора: приоритет и дисциплина диспетчеризации. Рассмотрим их по очереди.
