Книга: C# 4.0: полное руководство

Применение мьютекса и семафора

Применение мьютекса и семафора

В большинстве случаев, когда требуется синхронизация, оказывается достаточно и оператора lock. Тем не менее в некоторых случаях, как, например, при ограничении доступа к общим ресурсам, более удобными оказываются механизмы синхронизации, встроенные в среду .NET Framework. Ниже рассматриваются по порядку два таких механизма: мьютекс и семафор.

Мьютекс представляет собой взаимно исключающий синхронизирующий объект. Это означает, что он может быть получен потоком только по очереди. Мьютекс предназначен для тех ситуаций, в которых общий ресурс может быть одновременно использован только в одном потоке. Допустим, что системный журнал совместно используется в нескольких процессах, но только в одном из них данные могут записываться в файл этого журнала в любой момент времени. Для синхронизации процессов в данной ситуации идеально подходит мьютекс.

Мьютекс поддерживается в классе System.Threading.Mutex. У него имеется несколько конструкторов. Ниже приведены два наиболее употребительных конструктора.

public Mutex()
public Mutex(bool initiallyOwned)

В первой форме конструктора создается мьютекс, которым первоначально никто не владеет. А во второй форме исходным состоянием мьютекса завладевает вызывающий поток, если параметр ini tiallyOwned имеет логическое значение true. В противном случае мьютексом никто не владеет.

Для того чтобы получить мьютекс, в коде программы следует вызвать метод WaitOne() для этого мьютекса. Метод WaitOne() наследуется классом Mutex от класса Thread.WaitHandle. Ниже приведена его простейшая форма.

public bool WaitOne();

Метод WaitOne() ожидает до тех пор, пока не будет получен мьютекс, для которого он был вызван. Следовательно, этот метод блокирует выполнение вызывающего потока до тех пор, пока не станет доступным указанный мьютекс. Он всегда возвращает логическое значение true.

Когда же в коде больше не требуется владеть мьютексом, он освобождается посредством вызова метода ReleaseMutex(), форма которого приведена ниже.

public void ReleaseMutex()

В этой форме метод ReleaseMutex() освобождает мьютекс, для которого он был вызван, что дает возможность другому потоку получить данный мьютекс.

Для применения мьютекса с целью синхронизировать доступ к общему ресурсу упомянутые выше методы WaitOne()  и ReleaseMutex() используются так, как показано в приведенном ниже фрагменте кода.

Mutex myMtx = new Mutex();
// ...
myMtx.WaitOne() ; // ожидать получения мьютекса
            // Получить доступ к общему ресурсу.
myMtx.ReleaseMutex(); // освободить мьютекс

При вызове метода WaitOne() выполнение соответствующего потока приостанавливается до тех пор, пока не будет получен мьютекс. А при вызове метода ReleaseMutex() мьютекс освобождается и затем может быть получен другим потоком. Благодаря такому подходу к синхронизации одновременный доступ к общему ресурсу ограничивается только одним потоком.

В приведенном ниже примере программы описанный выше механизм синхронизации демонстрируется на практике. В этой программе создаются два потока в виде классов IncThread и DecThread, которым требуется доступ к общему ресурсу: переменной SharedRes.Count. В потоке IncThread переменная SharedRes.Count инкрементируется, а в потоке DecThread — декрементируется. Во избежание одновременного доступа обоих потоков к общему ресурсу SharedRes.Count этот доступ синхронизируется мьютексом Mtx, также являющимся членом класса SharedRes.

// Применить мьютекс.
using System;
using System.Threading;
//В этом классе содержится общий ресурс(переменная Count),
// а также мьютекс (Mtx), управляющий доступом к ней.
class SharedRes {
  public static int Count = 0;
  public static Mutex Mtx = new Mutex();
}
// В этом потоке переменная SharedRes.Count инкрементируется,
class IncThread {
  int num;
  public Thread Thrd;
  public IncThread(string name, int n) {
    Thrd = new Thread(this.Run);
    num = n;
    Thrd.Name = name;
    Thrd.Start();
  }
  // Точка входа в поток,
  void Run() {
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " ожидает мьютекс.");
    // Получить мьютекс.
    SharedRes.Mtx.WaitOne();
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " получает мьютекс.");
    do {
      Thread.Sleep (500);
      SharedRes.Count++;
      Console.WriteLine("В потоке " + Thrd.Name +
           ", SharedRes.Count = " + SharedRes.Count);
      num -- ;
    } while(num > 0);
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " освобождает мьютекс.");
    // Освободить мьютекс.
    SharedRes.Mtx.ReleaseMutex();
  }
}
// В этом потоке переменная SharedRes.Count декрементируется,
class DecThread {
  int num;
  public Thread Thrd;
  public DecThread(string name, int n) {
    Thrd = new Thread(new ThreadStart(this.Run));
    num = n;
    Thrd.Name = name;
    Thrd.Start();
  }
  // Точка входа в поток,
  void Run() {
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " ожидает мьютекс.");
    // Получить мьютекс.
    SharedRes.Mtx.WaitOne();
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " получает мьютекс.");
    do {
      Thread.Sleep(500) ;
      SharedRes.Count--;
      Console.WriteLine("В потоке " + Thrd.Name +
             ", SharedRes.Count = " + SharedRes.Count);
      num-- ;
    } while(num > 0);
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " освобождает мьютекс.");
    // Освободить мьютекс.
    SharedRes.Mtx.ReleaseMutex();
  }
}
class MutexDemo {
  static void Main() {
    // Сконструировать два потока.
    IncThread mt1 = new IncThread("Инкрементирующий Поток", 5);
    Thread.Sleep(1); // разрешить инкрементирующему потоку начаться
    DecThread mt2 = new DecThread("Декрементирующий Поток", 5);
    mt1.Thrd.Join();
    mt2.Thrd.Join();
  }
}

Эта программа дает следующий результат.

Инкрементирующий Поток ожидает мьютекс.
Инкрементирующий Поток получает мьютекс.
Декрементирующий Поток ожидает мьютекс.
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 2
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 3
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 4
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 5
Инкрементирующий Поток освобождает мьютекс.
Декрементирующий Поток получает мьютекс.
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 4
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 3
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 2
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 0
Декрементирующий Поток освобождает мьютекс.

Как следует из приведенного выше результата, доступ к общему ресурсу (переменной SharedRes.Count) синхронизирован, и поэтому значение данной переменной может быть одновременно изменено только в одном потоке.

Для того чтобы убедиться в том, что мьютекс необходим для получения приведенного выше результата, попробуйте закомментировать вызовы методов WaitOne() и ReleaseMutex() в исходном коде рассматриваемой здесь программы. При ее последующем выполнении вы получите следующий результат, хотя у вас он может оказаться несколько иным.

Инкрементирующий Поток ожидает мьютекс.
Инкрементирующий Поток получает мьютекс.
Декрементирующий Поток ожидает мьютекс.
Декрементирующий Поток получает мьютекс.
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 0
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 0
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 0
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 0
В потоке Инкрементирующий Поток, SharedRes.Count = 1
Инкрементирующий Поток освобождает мьютекс.
В потоке Декрементирующий Поток, SharedRes.Count = 0
Декрементирующий Поток освобождает мьютекс.

Как следует из приведенного выше результата, без мьютекса инкрементирование и декрементирование переменной SharedRes.Count происходит, скорее, беспорядочно, чем последовательно.

Мьютекс, созданный в предыдущем примере, известен только тому процессу, который его породил. Но мьютекс можно создать и таким образом, чтобы он был известен где-нибудь еще. Для этого он должен быть именованным. Ниже приведены формы конструктора, предназначенные для создания такого мьютекса.

public Mutex(bool initiallyOwned, string имя)
public Mutex(bool initiallyOwned, string имя, out bool createdNew)

В обеих формах конструктора имя обозначает конкретное имя мьютекса. Если в первой форме конструктора параметр ini tiallyOwned имеет логическое значение true, то владение мьютексом запрашивается. Но поскольку мьютекс может принадлежать другому процессу на системном уровне, то для этого параметра лучше указать логическое значение false. А после возврата из второй формы конструктора параметр createdNew будет иметь логическое значение true, если владение мьютексом было запрошено и получено, и логическое значение false, если запрос на владение был отклонен. Существует и третья форма конструктора типа Mutex, в которой допускается указывать управляющий доступом объект типа MutexSecurity. С помощью именованных мьютексов можно синхронизировать взаимодействие процессов.

И последнее замечание: в потоке, получившем мьютекс, допускается делать один или несколько дополнительных вызовов метода WaitOne() перед вызовом метода ReleaseMutex(), причем все эти дополнительные вызовы будут произведены успешно. Это означает, что дополнительные вызовы метода WaitOne() не будут блокировать поток, который уже владеет мьютексом. Но количество вызовов метода WaitOne() должно быть равно количеству вызовов метода ReleaseMutex() перед освобождением мьютекса.

Семафор подобен мьютексу, за исключением того, что он предоставляет одновременный доступ к общему ресурсу не одному, а нескольким потокам. Поэтому семафор пригоден для синхронизации целого ряда ресурсов. Семафор управляет доступом к общему ресурсу, используя для этой цели счетчик. Если значение счетчика больше нуля, то доступ к ресурсу разрешен. А если это значение равно нулю, то доступ к ресурсу запрещен. С помощью счетчика ведется подсчет количества разрешений. Следовательно, для доступа к ресурсу поток должен получить разрешение от семафора.

Обычно поток, которому требуется доступ к общему ресурсу, пытается получить разрешение от семафора. Если значение счетчика семафора больше нуля, то поток получает разрешение, а счетчик семафора декрементируется. В противном случае поток блокируется до тех пор, пока не получит разрешение. Когда же потоку больше не требуется доступ к общему ресурсу, он высвобождает разрешение, а счетчик семафора инкрементируется. Если разрешения ожидает другой поток, то он получает его в этот момент. Количество одновременно разрешаемых доступов указывается при создании семафора. Так, если создать семафор, одновременно разрешающий только один доступ, то такой семафор будет действовать как мьютекс.

Семафоры особенно полезны в тех случаях, когда общий ресурс состоит из группы или пула ресурсов. Например, пул ресурсов может состоять из целого ряда сетевых соединений, каждое из которых служит для передачи данных. Поэтому потоку, которому требуется сетевое соединение, все равно, какое именно соединение он получит. В данном случае семафор обеспечивает удобный механизм управления доступом к сетевым соединениям.

Семафор реализуется в классе System.Threading.Semaphore, у которого имеется несколько конструкторов. Ниже приведена простейшая форма конструктора данного класса:

public Semaphore(int initialCount, int maximumCount)

где initialCount — это первоначальное значение для счетчика разрешений семафора, т.е. количество первоначально доступных разрешений; maximumCount — максимальное значение данного счетчика, т.е. максимальное количество разрешений, которые может дать семафор.

Семафор применяется таким же образом, как и описанный ранее мьютекс. В целях получения доступа к ресурсу в коде программы вызывается метод WaitOne() для семафора. Этот метод наследуется классом Semaphore от класса WaitHandle. Метод WaitOne() ожидает до тех пор, пока не будет получен семафор, для которого он вызывается. Таким образом, он блокирует выполнение вызывающего потока до тех пор, пока указанный семафор не предоставит разрешение на доступ к ресурсу.

Если коду больше не требуется владеть семафором, он освобождает его, вызывая метод Release(). Ниже приведены две формы этого метода.

public int Release()
public int Release(int releaseCount)

В первой форме метод Release() высвобождает только одно разрешение, а во второй форме — количество разрешений, определяемых параметром releaseCount. В обеих формах данный метод возвращает подсчитанное количество разрешений, существовавших до высвобождения.

Метод WaitOne() допускается вызывать в потоке несколько раз перед вызовом метода Release(). Но количество вызовов метода WaitOne() должно быть равно количеству вызовов метода Release() перед высвобождением разрешения. С другой стороны, можно воспользоваться формой вызова метода Release(int num), чтобы передать количество высвобождаемых разрешений, равное количеству вызовов метода WaitOne().

Ниже приведен пример программы, в которой демонстрируется применение семафора. В этой программе семафор используется в классе MyThread для одновременного выполнения только двух потоков типа MyThread. Следовательно, разделяемым ресурсом в данном случае является ЦП.

// Использовать семафор.
using System;
using System.Threading;
// Этот поток разрешает одновременное выполнение
// только двух своих экземпляров,
class MyThread {
  public Thread Thrd;
  // Здесь создается семафор, дающий только два
  // разрешения из двух первоначально имеющихся,
  static Semaphore sem = new Semaphore(2, 2);
  public MyThread(string name) {
    Thrd = new Thread(this.Run);
    Thrd.Name = name;
    Thrd.Start();
  }
  // Точка входа в поток,
  void Run() {
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " ожидает разрешения.");
    sem.WaitOne();
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " получает разрешение.");
    for (char ch = 'A'; ch < 'D'; ch++) {
      Console.WriteLine(Thrd.Name + " : " + ch + " ");
      Thread.Sleep(500);
    }
    Console.WriteLine(Thrd.Name + " высвобождает разрешение.");
    // Освободить семафор, sem.Release();
  }
}
class SemaphoreDemo {
  static void Main() {
    // Сконструировать три потока.
    MyThread mt1 = new MyThread("Поток #1");
    MyThread mt2 = new MyThread("Поток #2");
    MyThread mt3 = new MyThread("Поток #3");
    mt1.Thrd.Join();
    mt2.Thrd.Join();
    mt3.Thrd.Join();
  }
}

В классе MyThread объявляется семафор sem, как показано ниже.

static Semaphore sem = new Semaphore(2f 2);

При этом создается семафор, способный дать не более двух разрешений на доступ к ресурсу из двух первоначально имеющихся разрешений.

Обратите внимание на то, что выполнение метода MyThread. Run() не может быть продолжено до тех пор, пока семафор sem не даст соответствующее разрешение. Если разрешение отсутствует, то выполнение потока приостанавливается. Когда же разрешение появляется, выполнение потока возобновляется. В методе In Main() создаются три потока. Но выполняться могут только два первых потока, а третий должен ожидать окончания одного из этих двух потоков. Ниже приведен результат выполнения рассматриваемой здесь программы, хотя у вас он может оказаться несколько иным.

Поток #1 ожидает разрешения.
Поток #1 получает разрешение.
Поток #1 : А
Поток #2 ожидает разрешения.
Поток #2 получает разрешение.
Поток #2 : А
Поток #3 ожидает разрешения.
Поток #1 : В
Поток #2 : В
Поток #1 : С
Поток #2 : С
Поток #1 высвобождает разрешение.
Поток #3 получает разрешение.
Поток #3 : А
Поток #2 высвобождает разрешение.
Поток #3 : В
Поток #3 : С
Поток #3 высвобождает разрешение.

Семафор, созданный в предыдущем примере, известен только тому процессу, который его породил. Но семафор можно создать и таким образом, чтобы он был известен где-нибудь еще. Для этого он должен быть именованным. Ниже приведены формы конструктора класса Semaphore, предназначенные для создания такого семафора.

public Semaphore(int initialCount, int maximumCountf string имя)
public Semaphore(int initialCount, int maximumCount, string имя, out bool createdNew)

В обеих формах имя обозначает конкретное имя, передаваемое конструктору. Если в первой форме семафор, на который указывает имя, еще не существует, то он создается с помощью значений, определяемых параметрами initialCount и maximumCount. А если он уже существует, то значения параметров initialCount и maximumCount игнорируются. После возврата из второй формы конструктора параметр createdNew будет иметь логическое значение true, если семафор был создан. В этом случае значения параметров ini tialCount и maximumCount используются для создания семафора. Если же параметр createdNew будет иметь логическое значение false, значит, семафор уже существует и значения параметров initialCount и maximumCount игнорируются. Существует и третья форма конструктора класса Semaphore, в которой допускается указывать управляющий доступом объект типа SemaphoreSecurity. С помощью именованных семафоров можно синхронизировать взаимодействие процессов.

Оглавление книги