QNX/UNIX: Анатомия параллелизма - Цилюрик Олег Иванович

В соответствии с документацией QNX 6.2.1 это поле присутствует у параметров всех трех базовых объектов синхронизации, но доступно оно только для переопределения мьютексов. По умолчанию (например, когда вместо attrпередается NULL) поле protocolпринимает значение PTHREAD_PRIO_INHERIT. Это означает, что ОС будет использовать протокол наследования приоритетов для предотвращения инверсии.

Таким образом, все примитивы синхронизации QNX в теории могут учитывать эффект инверсии приоритетов. Однако на практике важны следующие два вопроса: возможно ли в принципе возникновение ситуации инверсии приоритетов для данного типа примитивов, и если да, то актуально ли для данного типа примитивов препятствовать возникновению инверсии (в качестве иллюстрации этого утверждения можно рассмотреть примитив типа барьер).

Тесты [4] показывают, что только для мьютексов наследованием приоритетов (или альтернативными протоколами) однозначно предотвращается возникновение инверсии приоритетов. По-видимому, в первую очередь это связано с тем, что сама по себе инверсия может возникнуть именно в тех случаях, когда из всех элементов синхронизации необходимо использовать именно мьютекс или что-либо из его наследников (например, блокировки чтения-записи).

Семафор (счетный)

Семафор является весьма специфическим (в сравнении с прочими) для ОС QNX средством синхронизации, и хотя функции работы с ним также определяются стандартом POSIX, даже семантика этих функций отличается от всех прочих объектов синхронизации.

Примечание

Функции работы с семафором определяются стандартом POSIX 1003.1 (1993) расширения реального времени, а не стандартом POSIX 1003b (1995), которым определены pthread_*и все другие примитивы синхронизации; соответственно функции манипулирования семафорами не начинаются с префикса pthread_*.

В классической работе Дейкстры [10] семафор определяется как объект, над которым можно провести две атомарные операции: инкремент и декремент внутреннего счетчика — при условии, что внутренний счетчик не может принимать значение меньше нуля. Если некий поток пытается уменьшить на единицу значение внутреннего счетчика семафора, значение которого уже равно нулю, то этот поток блокируется до тех пор, пока внутренний счетчик семафора не примет значение, равное 1 или больше (посредством воздействия на него других потоков). Разблокированный поток сможет осуществить декремент нового значения.

Принято рассматривать семафоры двух видов: бинарные, счетчик которых может принимать только значения 0 либо 1, и счетные, или простые, счетчик которых может принимать большие положительные значения. В QNX 6.2.1 максимальное значение счетчика определяется переменной SEM_VALUE_MAX, значение которой равно 32 767.

Отметим важный момент: семафор является наиболее простым и соответственно наиболее универсальнымсредством синхронизации. И классические решения задач раздельного использования ресурсов, предложенные в теории первоначально Э. Дейкстрой, базируются именно на понятии семафора. Однако в случае систем реального времени применение семафоров для разделения доступа к ресурсу влечет потенциальную опасность возникновения инверсии приоритетов [4], избежать которой никак нельзя.

Причина этого в том, что семафор по определениюне может знать своего владельца (захватившего его), поскольку у счетного семафора в принципе не может быть владельца, а бинарный семафор, который отличает своего владельца (поток, заблокировавший в данный момент другие потоки на обращении к семафору), уже перестает быть собственно семафором и называется мьютексом, или эксклюзивной блокировкой. По-видимому, именно этим обстоятельством вызван тот факт, что все объекты синхронизации QNX, не реализованные на уровне native API, но предоставляемые на уровне API POSIX, строятся без использования семафоров.

Принципиально схема работы семафора позволяет использовать его для решения максимально широкого круга задач. Приведем только несколько схематичных примеров:

•  Ожидание условия (уведомление). Часто возникает необходимость остановить (заблокировать) поток до тех пор, пока не наступит некое событие (выполнится условие). Разблокировать остановленный поток в таком случае может только другой, активный к этому времени поток. Предварительно инициализируем семафор нулевым значением:

<b>      Поток А             Поток В</b>

while (!expression)  expression = true;

sem_wait(&amp;sem);      sem_post(&amp;sem);

В этом случае поток А ожидает выполнения некоего условия (операция sem_wait()), а поток В уведомляет (операция sem_post()) о выполнении условия любыеожидающие этого условия потоки.

Примечание

В принципе конструкция while()здесь не обязательна, можно обойтись и простым if(), но проверка выполнения условия и после разблокирования потока будет более строгой формой в многопоточной системе, особенно если выполнения условия ожидают более одного потока.

•  Взаимное исключение. С помощью семафора можно решить и другую классическую проблему синхронизации — безопасное совместное исполнение кода. Эта проблема возникает, когда из нескольких потоков необходимо провести модификацию общих переменных или обратиться к одному системному ресурсу. В таком случае необходимо установить четкий порядок обращений, не допускающий одновременности исполнения соответствующего участка кода (взаимное исключение). Здесь семафор инициализируется единицей:

<b>             Поток А                             Поток В</b>

sem_wait(&amp;sem);                      sem_wait(&amp;sem);

/* код, который нужно защитить       /* код, который нужно защитить

   от совместного использования. */     от совместного использования. */

sem_post(&amp;sem);                      sem_post(&amp;sem);

В данном случае последовательность доступа потоков к защищаемому участку кода (такой участок кода еще называют критической секцией) не играет никакой роли; здесь важно не допустить, чтобы два потока исполняли этот код одновременно.

Поскольку семафор инициализируется единицей, первый вызов sem_wait()не приводит к блокированию потока, а лишь понижает счетчик семафора до нуля. В таком положении семафора любой поток, повторно вызвавший sem_wait()на входе в критическую секцию, будет блокирован до тех пор, пока первый вошедший поток не покинет этот участок кода и не вызовет sem_post(). После этого один из потоков, ожидающих увеличения счетчика семафора, получит управление (это будет один поток, и нельзя заранее сказать, какой именно) и выполнит операцию декремента над счетчиком, вновь заблокировав вход в критическую секцию. Таким образом можно гарантировать строго последовательное выполнение такого кода.

Однако при использовании семафоров для решения задачи взаимного исключения потоков разного приоритета может возникнуть серьезная проблема, известная как инверсия приоритетов. Вопрос инверсии рассматривался в нашей работе [4], и мы не будем здесь подробно останавливаться на этом. В простейшем случае проблема заключается в том, что если в системе присутствуют несколько (3 или более) потоков разного приоритета (высокого, среднего и низкого), использующих общий ресурс, то возможно возникновение ситуации, когда высокоприоритетный поток будет блокирован в ожидании ресурса, ранее захваченного потоком самого низкого приоритета, который в свою очередь вытеснен потоком среднего приоритета, причем такой неразрешимый «клинч» может продолжаться неограниченно долго.