Павел Блудов
Введение
Критические секции -- это объекты, используемые для блокировки доступа всех нитей (threads) приложения, кроме одной, к некоторым важным данным в один момент времени. Например, имеется переменная m_pObject и несколько нитей, вызывающих методы объекта, на который ссылается m_pObject, причем эта переменная может изменять свое значение время от времени. Иногда там даже оказывается нуль. Предположим, имеется вот такой код:
// Нить №1
void Proc1()
{
if (m_pObject)
m_pObject->SomeMethod();
}
// Нить №2
void Proc2(IObject *pNewObject)
{
if (m_pObject)
delete m_pObject;
m_pObject = pNewobject;
}
|
Тут мы имеем потенциальную опасность вызова m_pObject->SomeMethod() после того, как объект был уничтожен при помощи delete m_pObject. Дело в том, что в системах с вытесняющей многозадачностью выполнение любой нити процесса может прерваться в самый неподходящий для нее момент времени, и начнет выполняться совершенно другая нить. В данном примере неподходящим моментом будет тот, в котором нить №1 уже проверила m_pObject, но еще не успела вызвать SomeMethod(). Выполнение нити №1 прервалось, и начала исполняться нить №2. Причем нить №2 успела вызвать деструктор объекта. Что же произойдет, когда нить №1 получит немного процессорного времени и вызовет-таки SomeMethod() у уже несуществующего объекта? Наверняка что-то ужасное.
Именно тут приходят на помощь критические секции. Перепишем наш пример.
// Нить №1
void Proc1()
{
::EnterCriticalSection(&m_lockObject);
if (m_pObject)
m_pObject->SomeMethod();
::LeaveCriticalSection(&m_lockObject);
}
// Нить №2
void Proc2(IObject *pNewObject)
{
::EnterCriticalSection(&m_lockObject);
if (m_pObject)
delete m_pObject;
m_pObject = pNewobject;
::LeaveCriticalSection(&m_lockObject);
}
|
Код, помещенный между ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection() с одной и той же критической секцией в качестве параметра, никогда не будет выполняться параллельно. Это означает, что если нить №1 успела "захватить" критическую секцию m_lockObject, то при попытке нити №2 заполучить эту же критическую секцию в свое единоличное пользование, ее выполнение будет приостановлено до тех пор, пока нить №1 не "отпустит" m_lockObject при помощи вызова ::LeaveCriticalSection(). И наоборот, если нить №2 успела раньше нити №1, то та "подождет", прежде чем начнет работу с m_pObject.
Работа с критическими секциями
Что же происходит внутри критических секций и как они устроены? Прежде всего, следует отметить, что критические секции – это не объекты ядра операционной системы. Практически вся работа с критическими секциями происходит в создавшем их процессе. Из этого следует, что критические секции могут быть использованы только для синхронизации в пределах одного процесса. Теперь рассмотрим критические секции поближе.
Структура RTL_CRITICAL_SECTION
typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {
PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo; // Используетсяоперационнойсистемой
LONG LockCount; // Счетчик использования этой критической секции
LONG RecursionCount; // Счетчик повторного захвата из нити-владельца
HANDLE OwningThread; // Уникальный ID нити-владельца
HANDLE LockSemaphore; // Объект ядра используемый для ожидания
ULONG_PTR SpinCount; // Количество холостых циклов перед вызовом ядра
} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;
|
Поле LockCount увеличивается на единицу при каждом вызове ::EnterCriticalSection() и уменьшается при каждом вызове ::LeaveCriticalSection(). Это первая (а часто и единственная проверка) на пути к "захвату" критической секции. Если после увеличения в этом поле находится ноль, это означает, что до этого момента непарных вызовов ::EnterCriticalSection() из других ниток не было. В этом случае можно забрать данные, охраняемые этой критической секцией в монопольное пользование. Таким образом, если критическая секция интенсивно используется не более чем одной нитью, ::EnterCriticalSection() практически вырождается в ++LockCount, а ::LeaveCriticalSection() в --LockCount. Это очень важно. Это означает, что использование многих тысяч критических секций в одном процессе не повлечет значительного расхода ни системных ресурсов, ни процессорного времени.
СОВЕТ
Не стоит экономить на критических секциях. Много cэкономить все равно не получится.
|
В поле RecursionCount хранится количество повторных вызовов ::EnterCriticalSection() из одной и той же нити. Действительно, если вызвать ::EnterCriticalSection() из одной и той же нити несколько раз, все вызовы будут успешны. Т.е. вот такой код не остановится навечно во втором вызове ::EnterCriticalSection(), а отработает до конца.
// Нить №1
void Proc1()
{
::EnterCriticalSection(&m_lock);
//. ..
Proc2()
//. ..
::LeaveCriticalSection(&m_lock);
}
// Всеещенить №1
void Proc2()
{
::EnterCriticalSection(&m_lock);
//. ..
::LeaveCriticalSection(&m_lock);
}
|
Действительно, критические секции предназначены для защиты данных от доступа из нескольких ниток. Многократное использование одной и той же критической секции из одной нити не приведет к ошибке. Это вполне нормальное явление. Следите, чтобы количество вызовов ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection() совпадало, и все будет хорошо.
Поле OwningThread содержит 0 для никем не занятых критических секций или уникальный идентификатор нити-владельца. Это поле проверяется, если при вызове ::EnterCriticalSection() поле LockCount после увеличения на единицу оказалось больше нуля. Если OwningThread совпадает с уникальным идентификатором текущей нити, то RecursionCount просто увеличивается на единицу и ::EnterCriticalSection() возвращается немедленно. Иначе ::EnterCriticalSection() будет дожидаться, пока нить, владеющая критической секцией, не вызовет ::LeaveCriticalSection() необходимое количество раз.
Поле LockSemaphore используется, если нужно подождать, пока критическая секция освободится. Если LockCount больше нуля, и OwningThread не совпадает с уникальным идентификатором текущей нити, то ждущая нить создает объект ядра (событие) и вызывает ::WaitForSingleObject(LockSemaphore). Нить-владелец, после уменьшения RecursionCount, проверяет его, и если значение этого поля равно нулю, а LockCount больше нуля, то это значит, что есть как минимум одна нить, ожидающая, пока LockSemaphore не окажется в состоянии "случилось!". Для этого нить-владелец вызывает ::SetEvent(), и какая-то одна (только одна) из ожидающих ниток пробуждается и получает доступ к критическим данным.
WindowsNT/2k генерирует исключение, если попытка создать событие не увенчалась успехом. Это верно как для функций ::Enter/LeaveCriticalSection(), так и для ::InitializeCriticalSectionAndSpinCount() с установленным старшим битом параметра SpinCount. Но только не в WindowsXP. Разработчики ядра этой операционной системы поступили по-другому. Вместо генерации исключения, функции ::Enter/LeaveCriticalSection(), если не могут создать собственное событие, начинают использовать заранее созданный глобальный объект. Один на всех. Таким образом, в случае катастрофической нехватки системных ресурсов, программа под управлением WindowsXP ковыляет какое-то время дальше. Действительно, писать программы, способные продолжать работать после того, как ::EnterCriticalSection() сгенерировала исключение, чрезвычайно сложно. Как правило, если программистом и предусмотрен такой поворот событий, то дальше вывода сообщения об ошибке и аварийного завершения программы дело не идет. Как следствие, WindowsXP игнорирует старший бит поля LockCount.
И, наконец, поле SpinCount. Это поле используется только многопроцессорными системами. В однопроцессорных системах, если критическая секция занята другой нитью, можно только переключить управление на нее и подождать наступления события. В многопроцессорных системах есть альтернатива: прогнать некоторое количество раз холостой цикл, проверяя каждый раз, не освободилась ли наша критическая секция. Если за SpinCount раз это не получилось, переходим к ожиданию. Это гораздо эффективнее, чем переключение на планировщик ядра и обратно. Кроме того, в WindowsNT/2k старший бит этого поля служит для индикации того, что объект ядра, хендл которого находится в поле LockSemaphore, должен быть создан заранее. Если системных ресурсов для этого недостаточно, система сгенерирует исключение, и программа может "урезать" свою функциональность. Или совсем завершить работу.
ПРИМЕЧАНИЕ
Все это верно для Windows NT/2k/XP. В Windows 9x/Me используется только поле LockCount. Там находится указатель на объект ядра, возможно, просто взаимоисключение (mutex). Все остальные поля равны нулю.
|
API для работы с критическими секциями
BOOL InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
BOOL InitializeCriticalSectionAndSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwSpinCount);
Заполняют поля структуры, адресуемой lpCriticalSection. После вызова любой из этих функций критическая секция готова к работе.
 Листинг 1. Псевдокод RtlInitializeCriticalSection из ntdll.dll
VOID RtlInitializeCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)
{
RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount(pcs, 0)
}
VOID RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount(
LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs, DWORD dwSpinCount)
{
pcs->DebugInfo = NULL;
pcs->LockCount = -1;
pcs->RecursionCount = 0;
pcs->OwningThread = 0;
pcs->LockSemaphore = NULL;
pcs->SpinCount = dwSpinCount;
if (0x80000000 & dwSpinCount)
_CriticalSectionGetEvent(pcs);
}
|
DWORD SetCriticalSectionSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwSpinCount);
Устанавливает значение поля SpinCount и возвращает его предыдущее значение. Напоминаю, что старший бит отвечает за "привязку" события, используемого для ожидания доступа к данной критической секции.
Листинг 2. Псевдокод RtlSetCriticalSectionSpinCount из ntdll.dll
DWORD RtlSetCriticalSectionSpinCount(
LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs, DWORD dwSpinCount)
{
DWORD dwRet = pcs->SpinCount;
pcs->SpinCount = dwSpinCount;
return dwRet;
}
|
VOID DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
Освобождает ресурсы, занимаемые критической секцией.
Листинг 3. Псевдокод RtlDeleteCriticalSection из ntdll.dll
VOID RtlDeleteCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)
{
pcs->DebugInfo = NULL;
pcs->LockCount = -1;
pcs->RecursionCount = 0;
pcs->OwningThread = 0;
if (pcs->LockSemaphore)
{
::CloseHandle(pcs->LockSemaphore);
pcs->LockSemaphore = NULL;
}
}
|
VOID EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
BOOL TryEnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
Осуществляют "захват" критической секции. Если критическая секция занята другой нитью, то ::EnterCriticalSection() будет ждать, пока та освободится, а ::TryEnterCriticalSection() вернет FALSE. Отсутствует в Windows 9x/ME.
Листинг 4. Псевдокод RtlEnterCriticalSection из ntdll.dll
VOID RtlEnterCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)
{
if (::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount))
{
if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())
{
pcs->RecursionCount++;
return;
}
RtlpWaitForCriticalSection(pcs);
}
pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
pcs->RecursionCount = 1;
}
BOOL RtlTryEnterCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)
{
if (-1L == ::InterlockedCompareExchange(&pcs->LockCount, 0, -1))
{
pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
pcs->RecursionCount = 1;
}
else if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())
{
::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount);
pcs->RecursionCount++;
}
else
return FALSE;
return TRUE;
}
|
VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);
Освобождаеткритическуюсекцию,
Листинг 5. Псевдокод RtlLeaveCriticalSection из ntdll.dll
VOID RtlLeaveCriticalSectionDbg(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)
{
if (--pcs->RecursionCount)
::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount);
else if (::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount) >= 0)
RtlpUnWaitCriticalSection(pcs);
}
|
Классы-обертки для критических секций
Листинг 6. Код классов CLock, CAutoLock и CScopeLock.
class CLock
{
friend class CScopeLock;
CRITICAL_SECTION m_CS;
public:
void Init() { ::InitializeCriticalSection(&m_CS); }
void Term() { ::DeleteCriticalSection(&m_CS); }
void Lock() { ::EnterCriticalSection(&m_CS); }
BOOL TryLock() { return ::TryEnterCriticalSection(&m_CS); }
void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(&m_CS); }
};
class CAutoLock : public CLock
{
public:
CAutoLock() { Init(); }
~CAutoLock() { Term(); }
};
class CScopeLock
{
LPCRITICAL_SECTION m_pCS;
public:
CScopeLock(LPCRITICAL_SECTION pCS) : m_pCS(pCS) { Lock(); }
CScopeLock(CLock& lock) : m_pCS(&lock.m_CS) { Lock(); }
~CScopeLock() { Unlock(); }
void Lock() { ::EnterCriticalSection(m_pCS); }
void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(m_pCS); }
};
|
Классы CLock и CAutoLock удобно использовать для синхронизации доступа к переменным класса, а CScopeLock предназначен, в основном, для использования в процедурах. Удобно, что компилятор сам позаботится о вызове ::LeaveCriticalSection() через деструктор.
Листинг 7. Пример использования CScopeLock.
CAutoLock m_lockObject;
CObject *m_pObject;
void Proc1()
{
CScopeLock lock(m_ lockObject); // Вызов lock.Lock();
if (!m_pObject)
return; // Вызов lock.Unlock();
m_pObject->SomeMethod();
// Вызов lock.Unlock();
}
|
Отладка критических секций
Весьма интересное и увлекательное занятие. Можно потратить часы и недели, но так и не найти, где именно возникает проблема. Стоит уделить этому особо пристальное внимание. Ошибки, связанные с критическими секциями, бывают двух типов: ошибки реализации и архитектурные ошибки.
Ошибки, связанные с реализацией
Это довольно легко обнаруживаемые ошибки, как правило, связанные с непарностью вызовов ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection().
Листинг 8. Пропущен вызов ::EnterCriticalSection().
// Процедура предполагает, что m_lockObject.Lock(); уже был вызван
void Pool()
{
for (int i = 0; i < m_vectSinks.size(); i++)
{
m_lockObject.Unlock();
m_vectSinks[i]->DoSomething();
m_lockObject.Lock();
}
}
|
::LeaveCriticalSection() без ::EnterCriticalSection() приведет к тому, что первый же вызов ::EnterCriticalSection() остановит выполнение нити навсегда.
 Листинг 9. Пропущен вызов ::LeaveCriticalSection().
void Proc()
{
m_lockObject.Lock();
if (!m_pObject)
return;
//. ..
m_lockObject.Unlock();
}
|
В этом примере, конечно, имеет смысл воспользоваться классом типа CScopeLock.
Кроме того, случается, что ::EnterCriticalSection() вызывается без инициализации критической секции с помощью ::InitializeCriticalSection(). Особенно часто такое случается с проектами, написанными с помощью ATL. Причем в debug-версии все работает замечательно, а release-версия рушится. Это происходит из-за так называемой "минимальной" CRT (_ATL_MIN_CRT), которая не вызывает конструкторы статических объектов (Q166480, Q165076). В ATL версии 7.0 эту проблему решили.
Еще я встречал такую ошибку: программист пользовался классом типа CScopeLock, но для экономии места называл эту переменную одной буквой:
и как-то раз просто пропустил имя у переменной. Получилось
Что это означает? Компилятор честно сделал вызов конструктора CScopeLock и тут же уничтожил этот безымянный объект, как и положено по стандарту. Т.е. сразу же после вызова метода Lock() последовал вызов Unlock(), и синхронизация перестала иметь место. Вообще, давать переменным, даже локальным, имена из одной буквы – путь быстрого наступления на всяческие грабли.
СОВЕТ
Если у вас в процедуре больше одного цикла, то вместо int i,j,k стоит все-таки использовать что-то вроде int nObject, nSection, nRow.
|
Архитектурные ошибки
Самая известная из них – это взаимоблокировка (deadlock), когда две нити пытаются захватить две или более критических секций, причем делают это в разном порядке.
Листинг 10. Взаимоблокировка двух ниток.
void Proc1()
// Нить №1
{
::EnterCriticalSection(&m_lock1);
//. ..
::EnterCriticalSection(&m_lock2);
//. ..
::LeaveCriticalSection(&m_lock2);
//. ..
::LeaveCriticalSection(&m_lock1);
}
// Нить №2
void Proc2()
{
::EnterCriticalSection(&m_lock2);
//. ..
::EnterCriticalSection(&m_lock1);
//. ..
::LeaveCriticalSection(&m_lock1);
//. ..
::LeaveCriticalSection(&m_lock2);
}
|
Проблемы могут возникнуть и при... копировании критических секций. Понятно, что вот такой код вряд ли сможет написать программист в здравом уме и памяти:
CRITICAL_SECTION sec1;
CRITICAL_SECTION sec2;
//. ..
sec1 = sec2;
|
Из такого присвоения трудно извлечь какую-либо пользу. А вот такой код иногда пишут:
struct SData
{
CLock m_lock;
DWORD m_dwSmth;
} m_data;
void Proc1(SData& data)
{
m_data = data;
}
|
и все бы хорошо, если бы у структуры SData был конструктор копирования, например такой:
SData(const SData data)
{
CScopeLock lock(data.m_lock);
m_dwSmth = data.m_dwSmth;
}
|
Но нет, программист посчитал, что хватит за глаза простого копирования полей, и, в результате, переменная m_lock была просто скопирована, хотя именно в этот момент из другой нити она была "захвачена", и значение поля LockCount у нее в этот момент больше либо равно нулю. После вызова ::LeaveCriticalSection() в той нити, у исходной переменной m_lock значение поля LockCount уменьшилось на единицу. А у скопированной переменной – осталось прежним. И любой вызов ::EnterCriticalSection() в этой нити никогда не вернется. Он будет вечно ждать неизвестно чего.
Это только цветочки. С ягодками вы очень быстро столкнетесь, если попытаетесь написать что-нибудь действительно сложное. Например, ActiveX-объект в многопоточном подразделении (MTA), создаваемый из скрипта, запущенного из-под контейнера, размещенного в однопоточном подразделении (STA). Ни слова не понятно? Не беда. Сейчас я попытаюсь выразить проблему более понятным языком. Итак. Имеется объект, вызывающий методы другого объекта, причем живут они в разных нитях. Вызовы производятся синхронно. Т.е. объект №1 переключает выполнение на нить объекта №2, вызывает метод и переключается обратно на свою нить. При этом выполнение нити №1 приостановлено до тех пор, пока не отработает нить объекта №2. Теперь, положим, объект №2 вызывает метод объекта №1 из своей нити. Получается, что управление вернулось в объект №1, но из нити объекта №2. Если объект №1 вызывал метод объекта №2, захватив какую-либо критическую секцию, то при вызове метода объекта №1 тот заблокирует сам себя при повторном входе в ту же критическую секцию.
Листинг 11. Самоблокировка средствами одного объекта.
// Нить №1
void IObject1::Proc1()
{
// Входим в критическую секцию объекта №1
m_lockObject.Lock();
// Вызываем метод объекта №2, происходит переключение на нить объекта №2
m_pObject2->SomeMethod();
// Сюда мы попадем только по возвращении из m_pObject2->SomeMethod()
m_lockObject.Unlock();
}
// Нить №2
void IObject2::SomeMethod()
{
// Вызываем метод объекта №1 из нити объекта №2
m_pObject1->Proc2();
}
// Нить №2
void IObject1::Proc2()
{
// Пытаемся войти в критическую секцию объекта №1
m_lockObject.Lock();
// Сюда мы не попадем никогда
m_lockObject.Unlock();
}
|
Если бы в примере не было переключения нитей, все вызовы произошли бы в нити объекта №1, и никаких проблем не возникло. Сильно надуманный пример? Ничуть. Именно переключение ниток лежит в основе подразделений (apartments) COM. А из этого следует одно очень, очень неприятное правило.
СОВЕТ
Избегайте вызовов каких бы то ни было объектов при захваченных критических секциях.
|
Помните пример из начала статьи? Так вот, он абсолютно неприемлем в подобных случаях. Его придется переделать на что-то вроде примера, приведенного в листинге 12.
Листинг 12. Простой пример, не подверженный самоблокировке.
// Нить №1
void Proc1()
{
m_lockObject.Lock();
CComPtr<IObject> pObject(m_pObject); // вызов pObject->AddRef();
m_lockObject.Unlock();
if (pObject)
pObject->SomeMethod();
}
// Нить №2
void Proc2(IObject *pNewObject)
{
m_lockObject.Lock();
m_pObject = pNewobject;
m_lockObject.Unlock();
}
|
Доступ к объекту по-прежнему синхронизован, но вызов SomeMethod(); происходит вне критической секции. Победа? Почти. Осталась одна маленькая деталь. Давайте посмотрим, что происходит в Proc2():
void Proc2(IObject *pNewObject)
{
m_lockObject.Lock();
if (m_pObject.p)
m_pObject.p->Release();
m_pObject.p = pNewobject;
if (m_pObject.p)
m_pObject.p->AddRef();
m_lockObject.Unlock();
}
|
Очевидно, что вызовы m_pObject.p->AddRef(); и m_pObject.p->Release(); происходят внутри критической секции. И если вызов метода AddRef(), как правило, безвреден, то вызов метода Release() может оказаться последним вызовом Release(), и объект самоуничтожится. В методе FinalRelease() объекта №2 может быть все что угодно, например, освобождение объектов, живущих в других подразделениях. А это опять приведет к переключению ниток и может вызвать самоблокировку объекта №1 по уже известному сценарию. Придется воспользоваться той же техникой, что и в методе Proc1():
Листинг 13
// Нить №2
void Proc2(IObject *pNewObject)
{
CComPtr<IObject> pPrevObject;
m_lockObject.Lock();
pPrevObject.Attach(m_pObject.Detach());
m_pObject = pNewobject;
m_lockObject.Unlock();
// pPrevObject.Release();
}
|
Теперь потенциально последний вызов IObject2::Release() будет осуществлен после выхода из критической секции. А присвоение нового значения по-прежнему синхронизовано с вызовом IObject2::SomeMethod() из нити №1.
Способы обнаружения ошибок
Сначала стоит обратить внимание на "официальный" способ обнаружения блокировок. Если бы кроме ::EnterCriticalSection() и ::TryEnterCtiticalSection() существовал еще и ::EnterCriticalSectionWithTimeout(), то достаточно было бы просто указать какое-нибудь резонное значение для интервала ожидания, например, 30 секунд. Если критическая секция не освободилась в течение указанного времени, то с очень большой вероятностью она не освободится никогда. Имеет смысл подключить отладчик и посмотреть, что же творится в соседних нитях. Но увы. Никаких ::EnterCriticalSectionWithTimeout() в Win32 не предусмотрено. Вместо этого есть поле CriticalSectionDefaultTimeout в структуре IMAGE_LOAD_CONFIG_DIRECTORY32, которое всегда равно нулю и, судя по всему, не используется. Зато используется ключ в реестре "HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\CriticalSectionTimeout", который по умолчанию равен 30 суткам, и по истечению этого времени в системный лог попадает строка "RTL: Enter Critical Section Timeout (2 minutes)\nRTL: Pid.Tid XXXX.YYYY, owner tid ZZZZ\nRTL: Re-Waiting\n". К тому же это верно только для систем WindowsNT/2k/XP и только с CheckedBuild. У вас установлен CheckedBuild? Нет? А зря. Вы теряете исключительную возможность увидеть эту замечательную строку.
Ну, а какие у нас альтернативы? Да, пожалуй, только одна. Не использовать API для работы с критическими секциями. Вместо них написать свои собственные. Пусть даже не такие обточенные напильником, как в Windows NT. Не страшно. Нам это понадобится только в debug-конфигурациях. В release'ах мы будем продолжать использовать оригинальный API от Майкрософт. Для этого напишем несколько функций, полностью совместимых по типам и количеству аргументов с "настоящим" API, и добавим #define, как у MFC, для переопределения оператора new в debug-конфигурациях.
Листинг 14. Собственная реализация критических секций.
#if defined(_DEBUG) && !defined(_NO_DEADLOCK_TRACE)
#define DEADLOCK_TIMEOUT 30000
#define CS_DEBUG 1
// Создаем на лету событие для операций ожидания,
// но никогда его не освобождаем. Такудобнейдляотладки
static inline HANDLE _CriticalSectionGetEvent(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
HANDLE ret = pcs->LockSemaphore;
if (!ret)
{
HANDLE sem = ::CreateEvent(NULL, false, false, NULL);
ATLASSERT(sem);
if (!(ret = (HANDLE)::InterlockedCompareExchangePointer(
&pcs->LockSemaphore, sem, NULL)))
ret = sem;
else
::CloseHandle(sem); // Кто-то успел раньше
}
return ret;
}
// Ждем, пока критическая секция не освободится либо время ожидания
// будетпревышено
static inline VOID _WaitForCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);
DWORD dwWait;
do
{
dwWait = ::WaitForSingleObject(sem, DEADLOCK_TIMEOUT);
if (WAIT_TIMEOUT == dwWait)
{
ATLTRACE("Critical section timeout (%u msec):"
" tid 0x%04X owner tid 0x%04X\n", DEADLOCK_TIMEOUT,
::GetCurrentThreadId(), pcs->OwningThread);
}
}while(WAIT_TIMEOUT == dwWait);
ATLASSERT(WAIT_OBJECT_0 == dwWait);
}
// Выставляем событие в активное состояние
static inline VOID _UnWaitCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);
BOOL b = ::SetEvent(sem);
ATLASSERT(b);
}
// Заполучаем критическую секцию в свое пользование
inline VOID EnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
if (::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount))
{
// LockCount сталбольшенуля.
// Проверяемидентификаторнити
if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())
{
// Нить та же самая. Критическая секция наша.
pcs->RecursionCount++;
return;
}
// Критическая секция занята другой нитью.
// Придется подождать
_WaitForCriticalSectionDbg(pcs);
}
// Либо критическая секция была "свободна",
// либо мы дождались. Сохраняем идентификатор текущей нити.
pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
pcs->RecursionCount = 1;
}
// Заполучаем критическую секцию, если она никем не занята
inline BOOL TryEnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
if (-1L == ::InterlockedCompareExchange(&pcs->LockCount, 0, -1))
{
// Это первое обращение к критической секции
pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
pcs->RecursionCount = 1;
}
else if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())
{
// Это не первое обращение, но из той же нити
::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount);
pcs->RecursionCount++;
}
else
return FALSE; // Критическая секция занята другой нитью
return TRUE;
}
// Освобождаемкритическуюсекцию
inline VOID LeaveCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
// Проверяем, чтобы идентификатор текущей нити совпадал
// с идентификатором нити-владельца.
// Если это не так, скорее всего мы имеем дело с ошибкой
ATLASSERT(pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId());
if (--pcs->RecursionCount)
{
// Не последний вызов из этой нити.
// Уменьшаем значение поля LockCount
::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount);
}
else
{
// Последний вызов. Нужно "разбудить" какую-либо
// из ожидающих ниток, если таковые имеются
ATLASSERT(NULL != pcs->OwningThread);
pcs->OwningThread = NULL;
if (::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount) >= 0)
{
// Имеется, какминимум, однаожидающаянить
_UnWaitCriticalSectionDbg(pcs);
}
}
}
// Удостоверяемся, что ::EnterCriticalSection() былавызвана
// довызоваэтогометода
inline BOOL CheckCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
return pcs->LockCount >= 0
&& pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
}
// Переопределяем все функции для работы с критическими секциями.
// Определение класса CLock должно быть после этих строк
#define EnterCriticalSection EnterCriticalSectionDbg
#define TryEnterCriticalSection TryEnterCriticalSectionDbg
#define LeaveCriticalSection LeaveCriticalSectionDbg
#endif
|
Ну и заодно добавим еще один метод в наш класс Clock (листинг 15).
Листинг 15. Класс CLock с новым методом.
class CLock
{
friend class CScopeLock;
CRITICAL_SECTION m_CS;
public:
void Init() { ::InitializeCriticalSection(&m_CS); }
void Term() { ::DeleteCriticalSection(&m_CS); }
void Lock() { ::EnterCriticalSection(&m_CS); }
BOOL TryLock() { return ::TryEnterCriticalSection(&m_CS); }
void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(&m_CS); }
BOOL Check() { return CheckCriticalSection(&m_CS); }
};
|
Использовать метод Check() в release-конфигурациях не стоит, возможно, что в будущем, в какой-нибудь Windows64, структура RTL_CRITICAL_SECTION изменится, и результат такой проверки будет не определен. Так что ему самое место "жить" внутри всяческих ASSERT'ов.
Итак, что мы имеем? Мы имеем проверку на лишний вызов ::LeaveCriticalSection() и ту же трассировку для блокировок. Не так уж много. Особенно если трассировка о блокировке имеет место, а вот нить, забывшая освободить критическую секцию, давно завершилась. Как быть? Вернее, что бы еще придумать, чтобы ошибку проще было выявить? Как минимум, прикрутить сюда __LINE__ и __FILE__, константы, соответствующие текущей строке и имени файла на момент компиляции этого метода.
VOID EnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs
, int nLine = __LINE__, azFile = __FILE__);
|
Компилируем, запускаем... Результат удивительный. Хотя правильный. Компилятор честно подставил номер строки и имя файла, соответствующие началу нашей EnterCriticalSectionDbg(). Так что придется попотеть немного больше. __LINE__ и __FILE__ нужно вставить в #define'ы, тогда мы получим действительные номер строки и имя исходного файла. Теперь вопрос, куда же сохранить эти параметры для дальнейшего использования? Причем хочется оставить за собой возможность вызова стандартных функций API наряду с нашими собственными? На помощь приходит C++: просто создадим свою структуру, унаследовав ее от RTL_CRITICAL_SECTION (листинг 16).
Листинг 16. Реализация критических секций с сохранением строки и имени файла.
#if defined(_DEBUG) && !defined(_NO_DEADLOCK_TRACE)
#define DEADLOCK_TIMEOUT 30000
#define CS_DEBUG 2
// Нашаструктуравзамен CRITICAL_SECTION
struct CRITICAL_SECTION_DBG : public CRITICAL_SECTION
{
// Добавочные поля
int m_nLine;
LPCSTR m_azFile;
};
typedef struct CRITICAL_SECTION_DBG *LPCRITICAL_SECTION_DBG;
// Создаем на лету событие для операций ожидания,
// но никогда его не освобождаем. Такудобнейдляотладки.
static inline HANDLE _CriticalSectionGetEvent(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
HANDLE ret = pcs->LockSemaphore;
if (!ret)
{
HANDLE sem = ::CreateEvent(NULL, false, false, NULL);
ATLASSERT(sem);
if (!(ret = (HANDLE)::InterlockedCompareExchangePointer(
&pcs->LockSemaphore, sem, NULL)))
ret = sem;
else
::CloseHandle(sem); // Кто-то успел раньше
}
return ret;
}
// Ждем, пока критическая секция не освободится либо время ожидания
// будетпревышено
static inline VOID _WaitForCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs
, int nLine, LPCSTR azFile)
{
HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);
DWORD dwWait;
do
{
dwWait = ::WaitForSingleObject(sem, DEADLOCK_TIMEOUT);
if (WAIT_TIMEOUT == dwWait)
{
ATLTRACE("Critical section timeout (%u msec):"
" tid 0x%04X owner tid 0x%04X\n"
"Owner lock from %hs line %u, waiter %hs line %u\n"
, DEADLOCK_TIMEOUT
, ::GetCurrentThreadId(), pcs->OwningThread
, pcs->m_azFile, pcs->m_nLine, azFile, nLine);
}
}while(WAIT_TIMEOUT == dwWait);
ATLASSERT(WAIT_OBJECT_0 == dwWait);
}
// Выставляемсобытиевактивноесостояние
static inline VOID _UnWaitCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);
BOOL b = ::SetEvent(sem);
ATLASSERT(b);
}
// Инициализируем критическую секцию.
inline VOID InitializeCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs)
{
// Пусть система заполнит свои поля
InitializeCriticalSection(pcs);
// Заполняем наши поля
pcs->m_nLine = 0;
pcs->m_azFile = NULL;
}
// Освобождаем ресурсы, занимаемые критической секцией
inline VOID DeleteCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs)
{
// Проверяем, чтобы не было удалений "захваченных" критических секций
ATLASSERT(0 == pcs->m_nLine && NULL == pcs->m_azFile);
// Остальное доделает система
DeleteCriticalSection(pcs);
}
// Заполучаем критическую секцию в свое пользование
inline VOID EnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs
, int nLine, LPSTR azFile)
{
if (::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount))
{
// LockCount стал больше нуля.
// Проверяем идентификатор нити
if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())
{
// Нить та же самая. Критическая секция наша.
// Никаких дополнительных действий не производим.
// Это не совсем верно, так как возможно, что непарный
// вызов ::LeaveCriticalSection() был сделан на n-ном заходе,
// и это придется отлавливать вручную, но реализация
// стека для __LINE__ и __FILE__ сделает нашу систему
// более громоздкой. Если это действительно необходимо,
// вы всегда можете сделать это самостоятельно
pcs->RecursionCount++;
return;
}
// Критическая секция занята другой нитью.
// Придется подождать
_WaitForCriticalSectionDbg(pcs, nLine, azFile);
}
// Либо критическая секция была "свободна",
// либо мы дождались. Сохраняем идентификатор текущей нити.
pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
pcs->RecursionCount = 1;
pcs->m_nLine = nLine;
pcs->m_azFile = azFile;
}
// Заполучаем критическую секцию, если она никем не занята
inline BOOL TryEnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs
, int nLine, LPSTR azFile)
{
if (-1L == ::InterlockedCompareExchange(&pcs->LockCount, 0, -1))
{
// Это первое обращение к критической секции
pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
pcs->RecursionCount = 1;
pcs->m_nLine = nLine;
pcs->m_azFile = azFile;
}
else if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())
{
// Это не первое обращение, но из той же нити
::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount);
pcs->RecursionCount++;
}
else
return FALSE; // Критическая секция занята другой нитью
return TRUE;
}
// Освобождаемкритическуюсекцию
inline VOID LeaveCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs)
{
// Проверяем, чтобы идентификатор текущей нити совпадал
// с идентификатором нити-влядельца.
// Если это не так, скорее всего мы имеем дело с ошибкой
ATLASSERT(pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId());
if (--pcs->RecursionCount)
{
// Не последний вызов из этой нити.
// Уменьшаем значение поля LockCount
::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount);
}
else
{
// Последний вызов. Нужно "разбудить" какую-либо
// из ожидающих ниток, если таковые имеются
ATLASSERT(NULL != pcs->OwningThread);
pcs->OwningThread = NULL;
pcs->m_nLine = 0;
pcs->m_azFile = NULL;
if (::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount) >= 0)
{
// Имеется, какминимум, однаожидающаянить
_UnWaitCriticalSectionDbg(pcs);
}
}
}
// Удостоверяемся, что ::EnterCriticalSection() былавызвана
// довызоваэтогометода
inline BOOL CheckCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION pcs)
{
return pcs->LockCount >= 0
&& pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId();
}
// Переопределяем все функции для работы с критическими секциями.
// Определение класса CLock должно быть после этих строк
#define InitializeCriticalSection InitializeCriticalSectionDbg
#define InitializeCriticalSectionAndSpinCount(pcs, c) \
InitializeCriticalSectionDbg(pcs)
#define DeleteCriticalSection DeleteCriticalSectionDbg
#define EnterCriticalSection(pcs) EnterCriticalSectionDbg(pcs, __LINE__, __FILE__)
#define TryEnterCriticalSection(pcs) \
TryEnterCriticalSectionDbg(pcs, __LINE__, __FILE__)
#define LeaveCriticalSection LeaveCriticalSectionDbg
#define CRITICAL_SECTION CRITICAL_SECTION_DBG
#define LPCRITICAL_SECTION LPCRITICAL_SECTION_DBG
#define PCRITICAL_SECTION PCRITICAL_SECTION_DBG
#endif
|
Приводим наши классы в соответствие (листинг 17).
Листинг 17. Классы CLock и CScopeLock, вариант для отладки.
class CLock
{
friend class CScopeLock;
CRITICAL_SECTION m_CS;
public:
void Init() { ::InitializeCriticalSection(&m_CS); }
void Term() { ::DeleteCriticalSection(&m_CS); }
#if defined(CS_DEBUG)
BOOL Check() { return CheckCriticalSection(&m_CS); }
#endif
#if CS_DEBUG > 1
void Lock(int nLine, LPSTR azFile) { EnterCriticalSectionDbg(&m_CS, nLine, azFile); }
BOOL TryLock(int nLine, LPSTR azFile) { return TryEnterCriticalSectionDbg(&m_CS, nLine, azFile); }
#else
void Lock() { ::EnterCriticalSection(&m_CS); }
BOOL TryLock() { return ::TryEnterCriticalSection(&m_CS); }
#endif
void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(&m_CS); }
};
class CScopeLock
{
LPCRITICAL_SECTION m_pCS;
public:
#if CS_DEBUG > 1
CScopeLock(LPCRITICAL_SECTION pCS, int nLine, LPSTR azFile) : m_pCS(pCS) { Lock(nLine, azFile); }
CScopeLock(CLock& lock, int nLine, LPSTR azFile) : m_pCS(&lock.m_CS) { Lock(nLine, azFile); }
void Lock(int nLine, LPSTR azFile) { EnterCriticalSectionDbg(m_pCS, nLine, azFile); }
#else
CScopeLock(LPCRITICAL_SECTION pCS) : m_pCS(pCS) { Lock(); }
CScopeLock(CLock& lock) : m_pCS(&lock.m_CS) { Lock(); }
void Lock() { ::EnterCriticalSection(m_pCS); }
#endif
~CScopeLock() { Unlock(); }
void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(m_pCS); }
};
#if CS_DEBUG > 1
#define Lock() Lock(__LINE__, __FILE__)
#define TryLock() TryLock(__LINE__, __FILE__)
#define lock(cs) lock(cs, __LINE__, __FILE__)
#endif
|
К сожалению, пришлось даже переопределить CScopeLock lock(cs), причем жестко привязаться к имени переменной. Не стоит говорить о том, что наверняка получился конфликт имен - все-таки Lock довольно популярное название для метода. Такой код не будет собираться, например, с популярнейшей библиотекой ATL. Тут есть два способа. Переименовать методы Lock() и TryLock() во что-нибудь более уникальное, либо переименовать Lock() в ATL:
// StdAfx.h
//. ..
#define Lock ATLLock
#include <AtlBase.h>
//. ..
|
Сменим тему
А что это мы все про Win32 API да про C++? Давайте посмотрим, как обстоят дела с критическими секциями в более современных языках программирования.
C#
Тут стараниями Майкрософт имеется полный набор старого доброго API под новыми именами.
Критические секции представлены классом System.Threading.Monitor, вместо ::EnterCriticalSection() есть Monitor.Enter(object), а вместо ::LeaveCriticalSection() Monitor.Exit(object), где object – это любой объект C#. Т.е. каждый объект где-то в потрохах CLR (Common Language Runtime) имеет свою собственную критическую секцию либо заводит ее по необходимости. Типичное использование этой секции выглядит так:
Monitor.Enter(this);
m_dwSmth = dwSmth;
Monitor.Exit(this);
|
Если нужно организовать отдельную критическую секцию для какой-либо переменной, самым логичным способом будет поместить ее в отдельный объект и использовать этот объект как аргумент при вызове Monitor.Enter/Exit(). Кроме того, в C# существует ключевое слово lock, это полный аналог нашего класса CScopeLock.
lock (this)
{
m_dwSmth = dwSmth;
}
|
А вот Monitor.TryEnter() в C# (о, чудо!) принимает в качестве параметра максимальный период ожидания.
Замечу, что CLR – это не только C#, все это применимо и к другим языкам, использующим CLR.
Java
В этом языке используется подобный механизм, только место ключевого слова lock есть ключевое слово synchronized, а все остальное – точно так же.
synchronized (this)
{
m_dwSmth = dwSmth;
}
|
MC++ (управляемый C++)
Тут тоже появился атрибут [synchronized] ведущий себя точно так же, как и одноименное ключевое слово из Java. Странно, что архитекторы из Майкрософт решили позаимствовать синтаксис из продукта от Sun Microsystems вместо своего собственного.
[synchronized] DWORD m_dwSmth;
//...
m_dwSmth = dwSmth; // неявныйвызов Lock(this)
|
Delphi
Практически все, что верно для C++, верно и для Delphi. Критические секции представлены объектом TCriticalSection. Собственно, это такая же обертка как и наш класс CLock.
Кроме того, в Delphi присутствует специальный объект TMultiReadExclusiveWriteSynchronizer с названием, говорящим само за себя.
Подведем итоги
Итак, что нужно знать о критических секциях:
Критические секции работают быстро и не требуют большого количества системных ресурсов.
Для синхронизации доступа к нескольким (независимым) переменным лучше использовать несколько критических секций, а не одну для всех.
Код, ограниченный критическими секциями, лучше всего свести к минимуму.
Находясь в критической секции, не стоит вызывать методы "чужих" объектов.
|