Лекция 8. Синхронизация потоков

Проблема недетерминизма является одной из ключевых в параллельных вычислительных средах. Традиционное решение — организация взаимоисключения. Для синхронизации с применением переменной-замка используются Interlocked-функции, поддерживающие атомарность некоторой последовательности операций. Взаимоисключение потоков одного процесса легче всего организовать с помощью примитива CriticalSection. Для более сложных сценариев рекомендуется применять объекты ядра, в частности, семафоры, мьютексы и события. Рассмотрена проблема синхронизации в ядре, основным решением которой можно считать установку и освобождение спин-блокировок

Введение. Проблема взаимоисключения

Взаимосвязанные потоки, которые обмениваются данными или пользуются одними и теми же устройствами ввода-вывода, должны синхронизировать свою работу. Пренебрежение вопросами синхронизации потоков, выполняющихся в режиме мультипрограммирования, может привести к их неправильной работе или даже к краху системы. Проблема синхронизации, которая возникает в подобных случаях, может решаться приостановкой и активизацией потоков, организацией очередей, блокированием и освобождением ресурсов.

Предположим, что два потока, фиксирующие какие-либо события, пытаются дать приращение общей переменной Count, счетчику этих событий (рис. 8.1).

 

Рис. 8.1. Два параллельных потока увеличивают значение общей переменной Count

Операция Count++ не является атомарной. Код операции Count++ будет преобразован компилятором в машинный код, который выглядит примерно так:

(1) MOV EAX, [Count]; значение из Count помещается в регистр

(2) INC EAX; значение регистра увеличивается на 1

(3) MOV [Count], EAX; значение из регистра помещается обратно в Count

В мультипрограммной системе с разделением времени может наступить неблагоприятная ситуация перемешивания (interleaving'а), когда поток T1выполняет шаг (1), затем вытесняется потоком T2, который выполняет шаги (1)-(3), а уже после этого поток T1заканчивает операцию, выполняя шаги (2)-(3). В этом случае результирующее приращение переменной Count будет равно 1 вместо правильного приращения - 2.

Сложность проблемы синхронизации состоит в нерегулярности возникающих ситуаций: в предыдущем примере можно представить и другое, более благоприятное развитие событий. В данном случае все определяется взаимными скоростями потоков и моментами их прерывания. Ситуации, подобные той, когда два или более потоков обрабатывают разделяемые данные и конечный результат зависит от соотношения скоростей процессов, называются гонками (условия состязания, race conditions).

Для устранения условий состязания необходимо обеспечить каждому потоку эксклюзивный доступ к разделяемым данным. Такой прием называется взаимоисключением (mutual exclusion). Часть кода потока, выполнение которого может привести к race condition, называется критической секцией (critical section). Например, операции (1)-(3) в примере, приведенном выше, являются критическими секциями обоих потоков. Таким образом, взаимоисключение необходимо обеспечить для критических секций потоков.

В общем случае структура процесса, участвующего во взаимодействии, может быть представлена следующим образом [2]:

while (some condition) {

entry section

critical section

exit section

remainder section

}

Внешний цикл означает, что нас будут интересовать многочисленные попытки входа в критическую секцию (синхронизация единичных попаданий может быть обеспечена и другими средствами). Наиболее важным с точки зрения синхронизации является пролог (entry section), где принимается решение о том, может ли поток быть допущенным в критическую секцию. В эпилоге (exit section) обычно открывается шлагбаум для других потоков, а операции, не входящие в критическую секцию, сосредоточены в remainder section.

Переменная-замок

Одним из возможных не вполне корректных решений проблемы синхронизации является использование переменной-замка. Например, можно сделать условием вхождения в критическую секцию значение 0 некоторой разделяемой переменной lock. Сразу же после проверки это значение меняется на 1 (закрытие замка). При выходе из критической секции замок открывается (значение переменной lock сбрасывается в 0).

shared int lock = 0;

T1 T2

while (some condition) {

while(lock);

lock = 1;

critical section

lock = 0;

remainder section

}

К сожалению, предложенное решение не всегда обеспечивает взаимоисключение. Вследствие того, что действие-пролог, состоящее из двух операций while(lock); lock = 1; не является атомарным, существует отличная от нуля вероятность вытеснения потока между этими операциями. При этом управление может перейти ко второму потоку, который, узнав, что переменная lock все еще равна 0, может войти в свою критическую секцию.

Таким образом, проблема синхронизации может быть решена за счет обеспечения непрерывности для нескольких операций, среди которых имеются операции опроса текущего значения некоторой переменной и установления для этой переменной нового значения.

TSL команды

Многие вычислительные архитектуры имеют инструкции, которые могут обеспечить атомарность последовательности операций при входе в критическую секцию. Такие команды называются Test and_Set Lock или TSL командами. Если представить себе такую команду как функцию

int TSL (int *target){

int tmp = *target;

*target = 1;

return tmp;

}

то, заменив в предыдущем примере последовательность операций while(lock); lock = 1; на TSL(lock), мы получаем решение проблемы взаимоисключения.