Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Метод StopReading должен выяснить, выполняется ли в данный момент последний поток считывания. Если это так, метод должен предоставить свободу действий потоку записи, передавая ему ожидаемый им сигнализирующий объект. Если ожидающий поток записи отсутствует, могут существовать ожидающие потоки считывания. Поэтому метод должен оставить объект в таком состоянии, чтобы поток считывания или записи мог быть немедленно запущен при вызове соответствующей запускающей подпрограммы.

Метод StartWriting также выполняет несколько задач. Если поток записи активен, он ожидает поступление объекта синхронизации, который будет использоваться для предоставления свободы действий следующему потоку записи. При наличии одного или более активных потоков считывания, метод действует так же. В противном случае он регистрируется как записывающий и выполняет выход, позволяя потоку записи продолжить работу.

Метод StopWriting отменяет регистрацию потока, выполняющегося в качестве записывающего, а затем проверяет существование одного или более готовых к запуску потоков считывания. Если такие потоки существуют, метод передает им ожидаемый ими объект синхронизации и завершает свою работу. Если какие-то потоки считывания отсутствуют, метод проверяет наличие ожидающего потока записи. Если такие потоки существуют, метод предоставляет одному из них свободу действий, передавая ему ожидаемый всеми этими потоками объект, а затем прекращает свою работу. Если ни одна из перечисленных ситуаций не имеет места, метод оставляет составной объект в состоянии, позволяющем немедленный запуск потока чтения или записи.

Исходя из приведенного описания, можно сделать ряд выводов. Во-первых, нам требуется переменная для хранения числа ожидающих потоков считывания. Во-вторых, требуется переменная для хранения числа ожидающих потоков записи. В-третьих, нам нужна переменная для хранения числа выполняющихся в текущий момент времени потоков считывания. В-четвертых, нам нужен булев флаг, свидетельствующий о выполнении потока записи. И, наконец, нам требуются определенные примитивные объекты синхронизации, содержащие все перечисленные компоненты.

Поскольку имеется четыре тесно связанных между собой переменных, вызовы для выполнения их считывания и обновления следует поместить внутрь критического раздела или флага синхронизации. Мы будем использовать критический раздел, поскольку эти компоненты эффективнее. Итак, это будет первым объектом синхронизации. Первым шагом выполнения каждого из четырех описанных методов будет запрос критического раздела, последним - его освобождение. Однако вспомните, что методы, которые позволяют запустить поток считывания, могут блокироваться внутри подпрограммы. Если бы этот программный блок оказался между процедурами вызова и освобождения управляющего критического раздела, возникла бы тупиковая ситуация. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы блокировка выполнялась снаружи, после того, как критический раздел освобожден.

Поскольку одновременно только один поток записи может быть активным, может показаться целесообразным поместить объект синхронизации, который ставит потоки записи в очередь, также в критический раздел, поскольку этот раздел может принадлежать только одному потоку. Однако на практике проще воспользоваться семафором. Причина этого проста: в действительности не требуется вызов объекта синхронизации, поскольку не существует подходящего места для его освобождения. Действительно, вы убедитесь, что придется дожидаться семафора в одном потоке и освобождать его в другом. Такой подход невозможен при использовании критического раздела: поток, обращающийся к критическому разделу, владеет им.

А каким должен быть объект синхронизации для потоков считывания? Больше всего подошли бы семафор или событие сброса вручную. Как и в предыдущем случае, лучше использовать семафор, поскольку применение объекта события привело бы возникновению проблем (при получении сигнала будут освобождаться только ожидающие его прихода потоки;

в данной реализации поток может находиться в состоянии, в котором он еще не вызвал подпрограмму WaitFor).

Код интерфейса создаваемого нами класса синхронизации TtdReadWriteSync приведен в листинге 12.1. Он содержит ряд приватных полей, которые будут использоваться в четырех основных методах.

Листинг 12.1. Интерфейс класса TtdReadWriteSync

type

TtdReadWriteSync = class private

FActiveReaders : integer;

FActiveWriter : boolean;

FBlockedReaders : THandle;

{семафор}

FBlockedWriters : THandle;

{семафор}

FController : TRTLCriticalSection;

FWaitingReaders : integer;

FWaitingWriters : integer;

protected

public

constructor Create;

destructor Destroy; override;

procedure StartReading;

procedure StartWriting;

procedure StopReading;

procedure StopWriting;

end;

Приватное поле FBlockedReaders семафора предназначено для ожидающих потоков считывания, а поле FBlockedWriters - для ожидающих потоков записи. Поле FController - основной компонент, обеспечивающий последовательный доступ к объектам (к сожалению, применение подобного механизма последовательной обработки необходимо для обеспечения того, чтобы каждый поток получал целостное и неискаженное изображение всего класса).

Код метода StartReading приведен в листинге 12.2.

Листинг 12.2. Метод StartReading

procedure TtdReadWriteSync.StartReading;

var

HaveToWait : boolean;

begin

{перехватить управление критическим разделом}

EnterCriticalSection(FController);

{если существует выполняющийся поток записи или хотя бы один ожидающий своей очереди поток записи, метод добавляет себя в качестве ожидающего метода записи, обеспечивая переход в состояние ожидания}

if FActiveWriter or (FWaitingWriters <> 0) then begin

inc(FWaitingReaders);

HaveToWait :=true;

end

{в противном случае он добавляет себя в качестве еще одного выполняющегося потока считывания и обеспечивает отсутствие состояния ожидания}

else begin

inc(FActiveReaders);

HaveToWait := false;

end;

{освободить управление критическим разделом}

LeaveCriticalSection(FController);

{при необходимости ожидания нужно выполнить следующее}

if HaveToWait then

WaitForSingleObject(FBlockedReaders, INFINITE);

end;

Прежде всего, мы перехватываем управление критическим разделом. После этого можно осуществлять управление значениями внутренних полей. При наличии выполняющегося в текущий момент или хотя бы одного ожидающего потока записи метод увеличивает число ожидающих потоков считывания, освобождает управление критическим разделом, а затем переходит в состояние ожидания семафора "заблокированные потоки считывания". При отсутствии ожидающих или выполняющихся потоков записи метод увеличивает число выполняющихся потоков считывания и освобождает критический раздел. По выходу из этого метода программа либо освобождается от необходимости ожидать прихода семафора, либо сразу пропускает состояние ожидания. Обратите внимание, что во втором случае метод увеличил число выполняющихся потоков считывания, а в первом нет. Это может показаться программной ошибкой, но вскоре мы покажем, как можно решить возникающую при этом проблему.

Рассмотрим метод StopReading, код которого приведен в листинге 12.3.

Листинг 12.3. Метод StopReading

procedure TtdReadWriteSync.StopReading;

begin

{перехватить управление критическим разделом}

EnterCriticalSection(FController);

{считывание завершено}

dec (FActiveReaders);

{если выполняется последний поток считывания и при наличии по меньшей мере одного ожидающего потока записи ему необходимо предоставить свободу действий}

if (FActiveReaders = 0) and (FWaitingWriters <> 0) then begin

dec(FWaitingWriters);

FActiveWriter :=true;

ReleaseSemaphore(FBlockedWriters, 1, nil);

end;

{освободить управление критическим разделом}

LeaveCriticalSection(FController);

end;

Как обычно, прежде всего, мы перехватываем управление критическим разделом. Этот поток стремится прекратить свои действия по считыванию, поэтому он уменьшает значение счетчика выполняющихся потоков считывания. Если результирующее значение не равно нулю, это свидетельствует о наличии других активных потоков считывания. Поэтому метод просто освобождает управление критическим разделом и осуществляет выход. Однако если этот поток был последним активным потоком считывания, теперь значение счетчика равно нулю и нужно предоставить свободу действий ожидающему потоку записи (если таковой существует). Для этого метод освобождает семафор заблокированных потоков записи. Иначе говоря, метод увеличивает значение счетчика на единицу, в результате чего система предоставит свободу действий одному, и только одному, заблокированному потоку записи, после чего немедленно снова уменьшит значение счетчика до нуля, обеспечивая блокировку всех остальных потоков записи. Однако непосредственно перед тем метод StopReading уменьшает значение счетчика ожидающих потоков записи и увеличивает значение счетчика выполняющихся потоков записи. Общий результат выполнения этого кода состоит в том, что поток записи освобождается, а значения двух счетчиков потоков записи обновляются.