使用临界段实现优化的进程间同步对象-原理和实现
来源:互联网 发布:为什么帅哥配丑女 知乎 编辑:程序博客网 时间:2024/04/28 12:31
使用临界段实现优化的进程间同步对象-原理和实现
by Jeffrey.Richter
vcbear 热情讲解
实现自己的同步对象?需要吗?
不需要吗?
...
只是跟你研究一下而已.
算了吧我只是个爱灌水的家伙,很久没有写代码了,闲来无事,灌灌水还不行吗?
1.概述:
在多进程的环境里,需要对线程进行同步.常用的同步对象有临界段(Critical Section),互斥量(Mutex),信号量(Semaphore),事件(Event)等,除了临界段,都是内核对象。
在同步技术中,临界段(Critical Section)是最容易掌握的,而且,和通过等待和释放内核态互斥对象实现同步的方式相比,临界段的速度明显胜出.但是临界段有一个缺陷,WIN32文档已经说明了临界段是不能跨进程的,就是说临界段不能用在多进程间的线程同步,只能用于单个进程内部的线程同步.
因为临界段只是一个很简单的数据结构体,在别的进程的进程空间里是无效的。就算是把它放到一个可以多进程共享的内存映象文件里,也还是无法工作.
有甚么方法可以跨进程的实现线程的高速同步吗?
2.原理和实现
2.1为什么临界段快? 是“真的”快吗?
确实,临界段要比其他的核心态同步对象要快,因为EnterCriticalSection和LeaveCriticalSection这两个函数从InterLockedXXX系列函数中得到不少好处(下面的代码演示了临界段是如何使用InterLockedXXX函数的)。InterLockedXXX系列函数完全运行于用户态空间,根本不需要从用户态到核心态
之间的切换。所以,进入和离开一个临界段一般只需要10个左右的CPU执行指令。而当调用WaitForSingleObject之流的函数时,因为使用了内核对象,线程被强制的在用户态和核心态之间变换。在x86处理器上,这种变换一般需要600个CPU指令。看到这里面的巨大差距了把。
话说回来,临界段是不是真正的“快”?实际上,临界段只在共享资源没有冲突的时候是快的。当一个线程试图进入正在被另外一个线程拥有的临界段,即发生竞争冲突时,临界段还是等价于一个event核心态对象,一样的需要耗时约600个CPU指令。事实上,因为这样的竞争情况相对一般的运行情况来说是很少的(除非人为),所以在大部分的时间里(没有竞争冲突的时候),临界段的使用根本不牵涉内核同步,所以是高速的,只需要10个CPU的指令。(bear说:明白了吧,纯属玩概率,Ms的小花招)
2.3进程边界怎么办?
“临界段等价于一个event核心态对象”是什么意思?
看看临界段结构的定义先
typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {
PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;
//
// The following three fields control entering and exiting the critical
// section for the resource
//
LONG LockCount;
LONG RecursionCount;
HANDLE OwningThread; // from the thread's ClientId- HANDLE LockSemaphore; DWORD SpinCount; } RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION; #typedef RTL_CRITICAL_SECTION CRITICL_SECTION 在CRITICAL_SECTION 数据结构里,有一个Event内核对象的句柄(那个undocument的结构体成员LockSemaphore,包含的实际是一个event的句柄, 而不是一个信号量semaphore)。正如我们所知,内核对象是系统全局的,但是该句柄是进程所有的,而不是系统全局的。所以,就算把一个临界段结构直接放到共享的内存映象里,临界段也无法起作用,因为LockSemaphore里句柄值只对一个进程有效,对于别的进程是没有意义的。 在一般的进程同步中,进程要使用一个存在于别的进程里的Event 对象,必须调用OpenEvent或CreaetEvent函数来得到进程可以使用的句柄值。 CRITICAL_SECTION结构里其他的变量是临界段工作所依赖的元素,Ms也“警告”程序员不要自己改动该结构体里变量的值。是怎么实现的呢?看下一步. 2.4 COptex,优化的同步对象类 Jeffrey Richter曾经写过一个自己的临界段,现在,他把他的临界段改良了一下,把它封装成一个COptex类。成员函数TryEnter拥有NT4里介绍的函数TryEnterCriticalSection的功能,这个函数尝试进入临界段,如果失败立刻返回,不会挂起线程,并且支持Spin计数.这个功能在NT4/SP3中被InitializeCriticalSectionAndSpinCount 和SetCriticalSectionSpinCount实现。Spin计数在多处理器系统和高竞争冲突情况下是很有用的,在进入WaitForXXX核心态之前,临界段根据设定的Spin计数进行多次TryEnterCtriticalSection,然后才进行堵塞。想一下,TryEnterCriticalSection才使用10个左右的周期,如果在Spin计数消耗完之前,冲突消失,临界段对象是空闲的,那么再用10个CPU周期就可以在用户态进入临界段了,不用切换到核心态. (bear说:为了避免这个"核心态",Ms自己也是费劲脑汁呀.看出来了吧,优化的原则:在需要的时候才进入核心态。否则,在用户态进行同步) 以下是COptex代码。原代码下载 Figure 2: COptex Optex.h /****************************************************************************** Module name: Optex.h Written by: Jeffrey Richter Purpose: Defines the COptex (optimized mutex) synchronization object ******************************************************************************/ #pragma once /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// class COptex { public: COptex(LPCSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000); COptex(LPCWSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000); ~COptex(); void SetSpinCount(DWORD dwSpinCount); void Enter(); BOOL TryEnter(); void Leave(); private: typedef struct { DWORD m_dwSpinCount; long m_lLockCount; DWORD m_dwThreadId; long m_lRecurseCount; } SHAREDINFO, *PSHAREDINFO; BOOL m_fUniprocessorHost; HANDLE m_hevt; HANDLE m_hfm; PSHAREDINFO m_pSharedInfo; private: BOOL CommonConstructor(PVOID pszName, BOOL fUnicode, DWORD dwSpinCount); }; /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// inline COptex::COptex(LPCSTR pszName, DWORD dwSpinCount) { CommonConstructor((PVOID) pszName, FALSE, dwSpinCount); } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// inline COptex::COptex(LPCWSTR pszName, DWORD dwSpinCount) { CommonConstructor((PVOID) pszName, TRUE, dwSpinCount); } Optex.cpp /****************************************************************************** Module name: Optex.cpp Written by: Jeffrey Richter Purpose: Implements the COptex (optimized mutex) synchronization object ******************************************************************************/ #include >windows.h< #include "Optex.h" /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// BOOL COptex::CommonConstructor(PVOID pszName, BOOL fUnicode, DWORD dwSpinCount) { m_hevt = m_hfm = NULL; m_pSharedInfo = NULL; SYSTEM_INFO sinf; GetSystemInfo(&sinf); m_fUniprocessorHost = (sinf.dwNumberOfProcessors == 1); char szNameA[100]; if (fUnicode) { // Convert Unicode name to ANSI wsprintfA(szNameA, "%S", pszName); pszName = (PVOID) szNameA; } char sz[100]; wsprintfA(sz, "JMR_Optex_Event_%s", pszName); m_hevt = CreateEventA(NULL, FALSE, FALSE, sz); if (m_hevt != NULL) { wsprintfA(sz, "JMR_Optex_MMF_%s", pszName); m_hfm = CreateFileMappingA(NULL, NULL, PAGE_READWRITE, 0, sizeof(*m_pSharedInfo), sz); if (m_hfm != NULL) { m_pSharedInfo = (PSHAREDINFO) MapViewOfFile(m_hfm, FILE_MAP_WRITE, 0, 0, 0); // Note: SHAREDINFO's m_lLockCount, m_dwThreadId, and m_lRecurseCount // members need to be initialized to 0. Fortunately, a new pagefile // MMF sets all of its data to 0 when created. This saves us from // some thread synchronization work. if (m_pSharedInfo != NULL) SetSpinCount(dwSpinCount); } } return((m_hevt != NULL) && (m_hfm != NULL) && (m_pSharedInfo != NULL)); } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// COptex::~COptex() { #ifdef _DEBUG if (m_pSharedInfo- #endif UnmapViewOfFile(m_pSharedInfo); CloseHandle(m_hfm); CloseHandle(m_hevt); } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void COptex::SetSpinCount(DWORD dwSpinCount) { if (!m_fUniprocessorHost) InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo- } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void COptex::Enter() { // Spin, trying to get the Optex if (TryEnter()) return; DWORD dwThreadId = GetCurrentThreadId(); // The calling thread's ID if (InterlockedIncrement(&m_pSharedInfo- // Optex is unowned, let this thread own it once InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo- m_pSharedInfo- } else { // Optex is owned by a thread if (m_pSharedInfo- // Optex is owned by this thread, own it again m_pSharedInfo- } else { // Optex is owned by another thread // Wait for the Owning thread to release the Optex WaitForSingleObject(m_hevt, INFINITE); // We got ownership of the Optex InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo- dwThreadId); // We own it now m_pSharedInfo- } } } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// BOOL COptex::TryEnter() { DWORD dwThreadId = GetCurrentThreadId(); // The calling thread's ID // If the lock count is zero, the Optex is unowned and // this thread can become the owner of it now. BOOL fThisThreadOwnsTheOptex = FALSE; DWORD dwSpinCount = m_pSharedInfo- do { fThisThreadOwnsTheOptex = (0 == (DWORD) InterlockedCompareExchange((PVOID*) &m_pSharedInfo- (PVOID) 1, (PVOID) 0)); if (fThisThreadOwnsTheOptex) { // We now own the Optex InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo- dwThreadId); // We own it m_pSharedInfo- } else { // Some thread owns the Optex if (m_pSharedInfo- // We already own the Optex InterlockedIncrement(&m_pSharedInfo- m_pSharedInfo- fThisThreadOwnsTheOptex = TRUE; // Return that we own the Optex } } } while (!fThisThreadOwnsTheOptex && (dwSpinCount-- < 0)); // Return whether or not this thread owns the Optex return(fThisThreadOwnsTheOptex); } /////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void COptex::Leave() { #ifdef _DEBUG if (m_pSharedInfo- DebugBreak(); #endif if (--m_pSharedInfo- // We still own the Optex InterlockedDecrement(&m_pSharedInfo- } else { // We don't own the Optex InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo- if (InterlockedDecrement(&m_pSharedInfo- // Other threads are waiting, wake one of them SetEvent(m_hevt); } } } ///////////////////////////////// End of File ///////////////////////////////// 使用这个COptex是很简单的事情,只要构造用下面这两种构造函数一个C++类的实例即可. 构造函数 COptex(LPCSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000); COptex(LPCWSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000); 他们都调用了 BOOL CommonConstructor(PVOID pszName, BOOL fUnicode, DWORD dwSpinCount); 构造一个COptex对象必须给它一个字符串型的名字,在突破进程边界的时候这是必须的,只有这个名字能提供共享访问.构造函数支持ANSI或Unicode的名字。 当另外一个进程使用相同的名字构造一个COptex对象,构造函数如何发现已经存在的COptex对象?在CommonConstructor代码中用CreateEvent尝试创建一个命名Event对象,如果这个名字的Event对象已经存在,那么,得到该对象的句柄,并且GetLastError可以得到ERROR_ALREADY_EXISTS.如果不存在则创建一个.如果创建失败,则得到的句柄为NULL. 同样的,可以得到一个共享的内存映象文件的句柄. 构造成功后,在需要同步时,根据情况简单的执行相应的进程间同步操作。构造函数的第二个参数用来指定Spin计数,默认是4000(这是操作系统序列化堆Heap的函数所使用的数量.操作系统在分配和释放内存的时候,要序列化进程的堆,这时也要用到临界段) COptex类的其他函数和Win32函数是一一对应的.熟悉同步对象的程序员应该很容易理解. COptex是如何工作的呢?实际上,一个COptex包含两个数据块(Data blocks):一个本地的,私有的;另一个是全局的,共享的.一个COptex对象构造之后,本地数据块包含了COptex的成员变量:m_hevt变量初始化为一个命名事件对象句柄;m_hfm变量初始化为一个内存映象文件对象句柄.既然这些句柄代表的对象是命名的,那么,他们可以在进程间共享。注意,是"对象"可以共享,而不是"对象的句柄".每个进程内的COptex对象都必须保持这些句柄在本进程内的值. m_pShareInf成员指向一个内存映象文件,全局数据块在这个内存映象文件里,以指定的共享名存在. SHAREDINFO结构是内存映象数据的组织方式,该结构在COptex类里定义,和CRITCIAL_SECTION的结构非常相似. typedef struct { DWORD m_dwSpinCount; long m_lLockCount; DWORD m_dwThreadId; long m_lRecurseCount;report-2001-03-07.htm } SHAREDINFO, *PSHAREDINFO; m_dwSpinCount : spin计数 m_lLockCount : 锁定计数 m_dwThreadID : 拥有该临界段的线程ID m_lRecurseCount:本线程拥有该临界段的计数 好了,仔细看看代码吧,大师风范呀.注意一下在进行同步时,关于是否同一线程,关于LockCount的值的一系列的判断,以及InterLockedXXX系列函数的使用,具体用法查MSDN. bear最喜欢这样的代码了,简单明了,思路清晰,原理超值,看完了只想大喝一声"又学一招,爽!" bear也写累了 ,收工:). 随意转载,只要不去掉Jeffrey的名字,还有bear的:D 翻译有错,请找vcbear@sina.com或留言,不懂Win32编程看下面: Have a question about programming in Win32? Contact Jeffrey Richter at http://www.jeffreyrichter.com/ From the January 1998 issue of Microsoft Systems Journal. 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