Мы узнали, как с помощью исключающего семафора защитить переменную от одновременного доступа со стороны двух и более потоков и как посредством обычного семафора реализовать счетчик обращений, доступный нескольким потокам. Сигнальная переменная (называемая также условной переменной) — это третий элемент синхронизации в Linux. Благодаря ему можно задавать более сложные условия выполнения потоков.
Предположим, требуется написать потоковую функцию, которая входит в бесконечный цикл, выполняя на каждой итерации какие-то действия. Но
работа цикла должна контролироваться флагом: действие выполняется только в том случае, когда он установлен.
В листинге 4.13 показан вариант такой программы. На каждой итерации цикла потоковая функция проверяет, установлен ли флаг. Поскольку к флагу обращается сразу несколько потоков, он защищается исключающим семафором. Подобная реализация является корректной, но она неэффективна. Если флаг не установлен, потоковая функция будет впустую тратить ресурсы процессора, занимаясь бесцельными проверками флага, а также захватывая и освобождая семафор. На самом деле необходимо как-то перевести функцию в неактивный режим, пока какой-нибудь другой поток не установит этот флаг.
/* Если флаг установлен, многократно вызывается функция do_work.
В противном случае цикл работает вхолостую. */
void* thread_function(void* thread_arg) {
while (1) {
int flag_is_set;
/* Защищаем флаг с помощью исключающего семафора. */
pthread_mutex_lock(&thread_flag_mutex);
flag_is_set = thread_flag;
pthread_mutex_unlock(&thread_flag_mutex);
if (flag_is_set)
do_work;
/* Если флаг не установлен, ничего не делаем. Просто переходим
на следующую итерацию цикла. */
}
return NULL;
}
/* Задаем значение флага равным FLAG_VALUE. */
void set_thread_flag(int flag_value) {
/* Защищаем флаг с помощью исключающего семафора. */
pthread_mutex_lock(&thread_flag_mutex);
thread_flag = flag_value;
pthread_mutex_unlock(&thread_flag_mutex);
}
Сигнальная переменная позволяет организовать такую проверку, при которой поток либо выполняется, либо блокируется. Как и в случае семафора, поток может ожидать сигнальную переменную. Поток A, находящийся в режиме ожидания, блокируется до тех пор, пока другой поток. Б, не просигнализирует
об изменении состояния этой переменной. Сигнальная переменная не имеет внутреннего счетчика, что отличает ее от семафора. Поток А должен перейти в состояние ожидания до того, как поток Б пошлет сигнал. Если сигнал будет послал раньше, он окажется потерянным и поток А заблокируется, пока какой-нибудь поток не пошлет сигнал еще раз.
Вот как можно сделать предыдущую программу более эффективной.
■ Функция
thread_function
в цикле проверяет флаг. Если он не установлен, поток переходит в режим ожидания сигнальной переменной.
■ Функция
set_thread_flag
устанавливает флаг и сигнализирует об изменении условной переменной. Если функция
thread_function
была заблокирована в ожидании сигнала, она разблокируется и снова проверяет флаг.
Но существует одна проблема: возникает гонка между операцией проверки флага и операцией сигнализирования или ожидания сигнала. Предположим, что функция
thread_function
проверяет флаг и обнаруживает, что он не установлен. В этот момент планировщик Linux прерывает выполнение данного потока и активизирует главную программу. По стечению обстоятельств программа как раз находится в функции
set_thread_flag
. Она устанавливает флаг и сигнализирует об изменении условной переменной. Но поскольку в данный момент нет потока, ожидающего получения этого сигнала (вспомните, что функция
thread_function
была прервана перед тем, как перейти в режим ожидания), сигнал окажется потерян. Когда Linux вновь активизирует дочерний поток, он начнет ждать сигнал, который, возможно, никогда больше не придет.
Чтобы избежать этой проблемы, необходимо одновременно захватить и флаг, и сигнальную переменную с помощью исключающего семафора. К счастью, в Linux это предусмотрено. Любая сигнальная переменная должна использоваться совместно с исключающим семафором для предотвращения состояния гонки. Наша потоковая функция должна следовать такому алгоритму:
■ В цикле необходимо захватить исключающий семафор и прочитать значение флага.
■ Если флаг установлен, нужно разблокировать семафор и выполнить требуемые действия.
■ Если флаг не установлен, одновременно выполняются операции освобождения семафора и перехода в режим ожидания сигнала.
Вся суть заключена в третьем этапе, на котором Linux позволяет выполнить атомарную операцию освобождения исключающего семафора и перехода в режим ожидания сигнала. Вмешательство других потоков при этом не допускается.
Сигнальная переменная имеет тип
pthread_cond_t
. Не забывайте о том, что каждой такой переменной должен быть сопоставлен исключающий семафор. Ниже перечислены функции, предназначенные для работы с сигнальными переменными.
■ Функция
pthread_cond_init
инициализирует сигнальную переменную. Первый ее аргумент — это указатель на объект типа
pthread_cond_t
. Второй аргумент (указатель на объект атрибутов сигнальной переменной) игнорируется в Linux. Исключающий семафор должен инициализироваться отдельно, как описывалось в разделе 4.4.2, "Исключающие семафоры".
■ Функция
pthread_cond_signal
сигнализирует об изменении переменной. При этом разблокируется один из потоков, находящийся в ожидании сигнала. Если таких потоков нет, сигнал игнорируется. Аргументом функции является указатель на объект типа