Системные механизмы для синхронизации потоков. Блокирующие переменные, мьютексы, семафоры

Процессам часто нужно взаимодействовать друг с другом, например, один процесс может передавать данные другому процессу, или несколько процессов могут обрабатывать данные из общего файла. Во всех этих случаях возникает проблема синхронизации процессов, которая может решаться приостановкой и активизацией процессов, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.

Пренебрежение вопросами синхронизации процессов, выполняющихся в режиме мультипрограммирования, может привести к их неправильной работе или даже к краху системы.

По сравнению с процессами, потоки управления характеризуются двумя особенностями:

• на порядок меньшими накладными расходами на обслуживание;
• существенно более тесным взаимодействием в общем адресном пространстве.

Очевидно, чтобы быть практически полезными, средства синхронизации, специально ориентированные на потоки управления, должны быть оптимизированы с учетом обеих отмеченных особенностей.

К числу таких средств, присутствующих в стандарте POSIX-2001, принадлежат мьютексы, переменные условия, блокировки чтение-запись, спин-блокировки и барьеры.

Мьютекс – это синхронизирующий объект, использование которого позволяет множеству потоков управления упорядочить доступ к разделяемым данным. Название этого средства синхронизации отражает его функциональность – взаимное исключение (mutual-exclusion). Поток захватывает мьютекс в монопольное владение и остается владельцем, пока сам же его не освободит.

Переменная условия в качестве синхронизирующего объекта дает потокам управления возможность многократно приостанавливать выполнение, пока некий ассоциированный предикат (условие) не станет истинным. Говорят, что поток, выполнение которого приостановлено на переменной условия, блокирован на этой переменной.

Блокировки чтение-запись (много читателей или один писатель) в каждый момент времени позволяют нескольким потокам управления одновременно иметь к данным доступ на чтение или только одному потоку – доступ на запись. Естественно, подобные блокировки обычно применяют для защиты данных, которые читаются чаще, чем изменяются.

Спин-блокировки представляют собой низкоуровневое средство синхронизации. Как и мьютексы, они предназначены для упорядочения доступа множества потоков управления к разделяемым данным.

Барьеры предназначены для синхронизации множества потоков управления в определенной точке их выполнения.

Средства синхронизации могут использоваться для достижения двух существенно разных целей:

• захват (как правило, на короткое время) разделяемого объекта для защиты критического интервала;
• ожидание (долгое или даже потенциально неограниченное) наступления некоторого события, выполнения некоторого условия.

Мьютексы и блокировки можно отнести к первой из выделенных категорий, переменные условия и барьеры – ко второй.

Вообще говоря, средства синхронизации потоков управления можно использовать не только в рамках одного процесса, но и среди множества процессов, расположенных в разделяемой, доступной на запись памяти, соответствующим образом инициализированной.

Со средствами синхронизации потоков управления ассоциируются атрибуты и атрибутные объекты, которые можно опрашивать и/или изменять аналогично тому, как это делается для самих потоков.