Введение в мьютексы

На Главную / Си / Мьютексы, введение

Теги: pthreads, mutex, pthread_mutex_t, pthread_mutex_init, pthread_mutex_lock, pthread_mutex_unlock, pthread_mutex_destroy, мьютексы, синхронизация, взаимные исключения.

Обзор мьютексов

Рассмотрим простой пример: несколько потоков обращаются к одной общей переменной. Часть потоков эту переменную увеличивают (plus потоки), а часть уменьшают на единицу (minus потоки). Число plus и minus потоков равно. Таким образом, мы ожидаем, что к концу работы программы значение исходной переменной будет прежним.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
#include <pthread.h>

static int counter = 0;

void* minus(void *args) {
        int local;

        local = counter;
        printf("min %d\n", counter);
        local = local - 1;
        counter = local;        
        return NULL;
}

void* plus(void *args) {
        int local;

        local = counter;
        printf("pls %d\n", counter);
        local = local + 1;
        counter = local;
        return NULL;
}

#define NUM_OF_THREADS 100

int main() {
        pthread_t threads[NUM_OF_THREADS];
        size_t i;

        printf("counter = %d\n", counter);
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS/2; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, minus, NULL);
        }
        for (; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, plus, NULL);
        }
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_join(threads[i], NULL);
        }
        printf("counter = %d", counter);
        _getch();
        return 0;
}

Если выполнить код, то он будет возвращать различные значения. Чаще всего они не будут равны нулю. Разберёмся, почему так происходит. Рассмотрим код функций, которые выполняются в отдельных потоках

void* minus(void *args) {
        int local;

        local = counter;
        printf("min %d\n", counter);
        local = local - 1;
        counter = local;        
        return NULL;
}

Во-первых, у нас имеется локальная переменная local. Во вторых, используется тяжёлая и медленная функция printf. В тот момент, когда мы присваиваем локальной переменной значение counter, другой поток может в то же самое время взять это значение и поменять.

Для простоты рассмотрим 4 потока – два plus и два minus

Один из возможных вариантов развития собитий при совместном доступе четырёх потоков к переменной
Действие	counter	plus 1 local	plus 2 local	minus 1 local	minus 2 local
plus 1 помещает в local значение counter	0	0	-	-	-
plus 2 помещает в local значение counter	0	0	0	-	-
plus 1 инкрементирует local и выводит значение на печать	0	1	0	-	-
minus 1 помещает в local значение counter	0	1	0	0	-
plus 1 помещает в переменную counter значение local	1	1	0	0	-
minus 2 помещает в local значение counter	1	1	0	0	1
plus 2 инкрементирует local и выводит значение на печать	1	1	1	0	1
plus 2 помещает в переменную counter значение local	1	1	1	0	1
minus 2 декрементирует local и выводит значение на печать	1	1	1	0	0
minus 2 помещает в переменную counter значение local	0	1	1	0	0
minus 1 декрементирует local и выводит значение на печать	0	1	1	0	-1
minus 1 помещает в переменную counter значение local	-1	1	1	0	-1

Это один из возможных сценариев развития событий. Очевидно, что могут быть значения от минус 2 до плюс 2. Какой из них будет выполнен, в общем случае не известно.

Проблема заключается в том, что у нас имеется несинхронизированный доступ к общему ресурсу. Мы бы хотели сделать так, чтобы на время работы с ресурсом (всё тело функций minus и plus) к ним имел доступ только один поток, а остальные ждали, пока ресурс освободится. Это так называемое mutual exclusion – взаимное исключение, случай, когда необходимо удостовериться в том, что два (и более…) конкурирующих потока не находятся в критической секции кода одновременно.

В библиотеке pthreads один из методов разрешить эту ситуацию – это мьютексы. Мьютекс – это объект, который может находиться в двух состояниях. Он либо заблокирован (занят, залочен, захвачен) каким-то потоком, либо свободен. Поток, который захватил мьютекс, работает с участком кода. Остальные потоки, когда достигают мьютекса, ждут его разблокировки. Разблокировать мьютекс может только тот поток, который его захватил. Обычно освобождение занятого мьютекса происходит после исполнения критичного к совместному доступу участка кода.

Порядок использования мьютексов

Мьютекс – это экземпляр типа pthread_mutex_t. Перед использованием необходимо инициализировать мьютекс функцией pthread_mutex_init

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

где первый аргумент – указатель на мьютекс, а второй – аттрибуты мьютекса. Если указан NULL, то используются атрибуты по умолчанию. В случае удачной инициализации мьютекс переходит в состояние «инициализированный и свободный», а функция возвращает 0. Повторная инициализация инициализированного мьютекса приводит к неопределённому поведению.

Если мьютекс создан статически и не имеет дополнительных параметров, то он может быть инициализирован с помощью макроса PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

После использования мьютекса его необходимо уничтожить с помощью функции

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

В результате функция возвращает 0 в случае успеха или может возвратить код ошибки.

После создания мьютекса он может быть захвачен с помощью функции

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

После этого участок кода становится недоступным остальным потокам – их выполнение блокируется до тех пор, пока мьютекс не будет освобождён. Освобождение должен провести поток, заблокировавший мьютекс, вызовом

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

Перейдём к реализации. Для начала сделаем глобальный объект мьютекс, доступный всем потокам.

Код

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
#include <pthread.h>

static int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;

void* minus(void *args) {
        int local;
        //Блокировка: теперь к ресурсам имеет доступ только один
        //поток, который владеет мьютексом. Он же единственный, 
        //кто может его разблокировать
        pthread_mutex_lock(&mutex);
                local = counter;
                printf("min %d\n", counter);
                local = local - 1;
                counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return NULL;
}

void* plus(void *args) {
        int local;
        pthread_mutex_lock(&mutex);
                local = counter;
                printf("pls %d\n", counter);
                local = local + 1;
                counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        return NULL;
}

#define NUM_OF_THREADS 100

int main() {
        pthread_t threads[NUM_OF_THREADS];
        size_t i;

        printf("counter = %d\n", counter);
        //Инициализация мьютекса
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS/2; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, minus, NULL);
        }
        for (; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, plus, NULL);
        }
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_join(threads[i], NULL);
        }
        //Уничтожение мьютекса
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        printf("counter = %d", counter);
        _getch();
        return 0;
}

Заметьте, при использовании мьютекса исполнение защищённого участка кода происходит последовательно всеми потоками, а не параллельно. Порядок доступа отдельных потоков не определён. Напишем теперь реализацию, в которой мьютекс будет передаваться в качестве параметра функции. Для начала, определим новый тип данных

typedef struct use_mutex_tag {
        pthread_mutex_t mutex;
} use_mutex_t;

И перепишем фунции

void* minus(void *args) {
        int local;
        use_mutex_t *arg = (use_mutex_t*) args;
        pthread_mutex_lock(&(arg->mutex));
        local = counter;
        printf("min %d\n", counter);
        local = local - 1;
        counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&(arg->mutex));
        return NULL;
}

Весь код

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
#include <pthread.h>

static int counter = 0;

typedef struct use_mutex_tag {
        pthread_mutex_t mutex;
} use_mutex_t;

void* minus(void *args) {
        int local;
        use_mutex_t *arg = (use_mutex_t*) args;
        pthread_mutex_lock(&(arg->mutex));
        local = counter;
        printf("min %d\n", counter);
        local = local - 1;
        counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&(arg->mutex));
        return NULL;
}

void* plus(void *args) {
        int local;
        use_mutex_t *arg = (use_mutex_t*) args;
        pthread_mutex_lock(&(arg->mutex));
        local = counter;
        printf("pls %d\n", counter);
        local = local + 1;
        counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&(arg->mutex));
        return NULL;
}

#define NUM_OF_THREADS 100

int main() {
        pthread_t threads[NUM_OF_THREADS];
        size_t i;
        use_mutex_t param;

        printf("counter = %d\n", counter);
        pthread_mutex_init(&(param.mutex), NULL);
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS/2; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, minus, &param);
        }
        for (; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, plus, &param);
        }
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_join(threads[i], NULL);
        }
        pthread_mutex_destroy(&(param.mutex));
        printf("counter = %d", counter);
        _getch();
        return 0;
}

Хочется обратить внимание, что мьютекс один на всех. Если бы у каждого потока был свой собственный мьютекс, то они бы не блокировали работу друг друга. Например, этот код будет работать неправильно

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <conio.h>
#include <pthread.h>

static int counter = 0;

void* minus(void *args) {
        int local;
        pthread_mutex_t mutex;
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        local = counter;
        printf("min %d\n", counter);
        local = local - 1;
        counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        return NULL;
}

void* plus(void *args) {
        int local;
        pthread_mutex_t mutex;
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        local = counter;
        printf("pls %d\n", counter);
        local = local + 1;
        counter = local;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
        return NULL;
}

#define NUM_OF_THREADS 100

int main() {
        pthread_t threads[NUM_OF_THREADS];
        size_t i;

        printf("counter = %d\n", counter);
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS/2; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, minus, NULL);
        }
        for (; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_create(&threads[i], NULL, plus, NULL);
        }
        for (i = 0; i < NUM_OF_THREADS; i++) {
                pthread_join(threads[i], NULL);
        }
        printf("counter = %d", counter);
        _getch();
        return 0;
}

Остановимся подробнее на функциях для работы с мьютексами

pthread_mutex_init возвращает 0 в случае успешного выполнения. Во время инициализации возможны следующие проблемы

EAGAIN – нехватка ресурсов (не памяти) для создания мьютекса
ENOMEM - нехватка памяти для инициализации
EPERM – нет разрешения на создание

Функция может упасть с ошибкой

EBUSY – попытка повторной инициализации не уничтоженного мьютекса.
EINVAL – неверные атрибуты функции.

pthread_mutex_destroy может вернуть следующие ошибки

EBUSY – попытка уничтожить захваченный мьютекс, или уничтожить мьютекс, на который кто-то ссылается
EINVAL – значение мьютекса неверное

pthread_nutex_lock возвращает ошибки

EINVAL – неверный приоритет потока

pthread_mutex_lock и pthread_mutex_unlock могут вылететь с ошибками

EINVAL – ссылка на объект, который не является мьютексом
EAGAIN – нельзя захватить рекурсивный мьютекс, так как превышена максимальная глубина рекурсии
EDEADLK – поток, захвативший мьютекс, пытается его взять ещё раз.
EPERM – текущий поток не владеет мьютексом (попытка освободить чужой мьютекс)

Q&A

Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик

Барьеры

Семафоры: введение