Книга: Графика для Windows средствами DirectDraw

Многопоточность

Многопоточность

Когда все внимание сосредоточено на курсоре мыши, нетрудно забыть, что курсор — всего лишь часть нашего приложения. После появления курсора приложение не должно принципиально отличаться от рассмотренных выше, так что было бы нежелательно вставлять код ввода от мыши и обновления курсора в середину приложения. И даже если согласиться на это, как будет выглядеть этот код? Он должен постоянно проверять наличие новых данных от мыши. При обнаружении данных он обновляет курсор мыши; в противном случае продолжает свою нормальную работу. Постоянный опрос мыши замедлит приложение и усложнит его структуру. Более удачное решение — разделить приложение на две подзадачи, использовав многопоточность.

Если вы уже знакомы с концепцией многопоточности, этот раздел вам не понадобится. Однако для новичков в нем рассматриваются основные положения, которые необходимо усвоить перед тем, как переходить к программированию. Ни в коем случае не следует рассматривать его как исчерпывающее руководство по многопоточности.

Сознаете вы это или нет, но вы уже знакомы с потоками и процессами. Каждый раз при запуске программы создается новый процесс. Процесс обеспечивает программу всем, что ей нужно для работы, включая один поток (thread). Этот стандартный поток (также называемый основным потоком — primary thread) используется для выполнения кода программы. Основной поток типичного процесса начинает работу с точки входа (для Windows-программ это функция WinMain()) и продолжает выполняться в соответствии со всеми циклами, условными операторами и вызовами функций. Основной поток завершается вместе с завершением процесса.

Однако ничто не ограничивает процесс одним потоком. Средства MFC или Win32 позволяют создавать дополнительные потоки, которые обычно используются для выполнения фоновых задач. Эти дополнительные потоки (иногда называемые рабочими потоками) работают независимо от основного потока (а также друг от друга). Каждый поток обладает собственным стеком, но системные ресурсы (такие, как файлы и динамическая память) используются потоками совместно.

Многопоточность приносит пользу при наличии нескольких задач, которые могут (хотя бы частично) работать одновременно. Код правильно написанного многопоточного приложения выглядит просто, потому что каждый поток выполняет свою конкретную задачу.

С другой стороны, многопоточное приложение труднее написать и отладить. Вам придется синхронизировать многопоточный доступ к совместным ресурсам, чтобы избежать непредсказуемых результатов, а также координировать выполнение взаимозависимого кода, чтобы обеспечить правильную последовательность событий.

И последнее замечание: на однопроцессорном компьютере многопоточные приложения работают не быстрее однопоточных. Скорость возрастает лишь на многопроцессорном компьютере с многопроцессорной операционной системой (например, Windows NT).

Добавить новый поток в программу несложно — намного сложнее организовать его выполнение и завершение, поэтому многие функции многопоточных API предназначены именно для синхронизации потоков. В этом разделе мы кратко рассмотрим такие средства синхронизации.

Потоки координируются с помощью событий (events), которые передают информацию о состоянии одного или нескольких потоков. Событие может быть установленным (signaled) или сброшенным (unsignaled). Конкретный смысл событий может быть разным, но обычно они сигнализируют о блокировке потока.

Блокировку потока можно представить себе в виде цикла, непрерывно опрашивающего некоторую логическую переменную. Цикл продолжается до тех пор, пока переменная не примет значение TRUE. С технической точки зрения это не совсем точно, потому что заблокированный поток не производит активных опросов события. Вместо этого он приостанавливается, а система удаляет его из списка активных потоков. Лишь после того как блокирующее событие перейдет в установленное состояние, выполнение потока возобновляется. Соответственно заблокированный поток почти не расходует процессорного времени.

Блокировка потоков чаще всего используется для защиты совместных ресурсов от одновременного доступа со стороны нескольких потоков. Мутекс (mutex, сокращение от mutually exclusive, то есть «взаимоисключающий») представляет собой объект, который может в любой момент времени принадлежать лишь одному потоку, гарантируя безопасность доступа к связанному с ним ресурсу. Когда мутекс принадлежит некоторому потоку, все остальные потоки, пытающиеся получить его в свое распоряжение, блокируются до освобождения мутекса.

Критические секции (critical section), как и мутексы, используются для предотвращения одновременного доступа к ресурсу со стороны нескольких потоков. Однако если мутекс может синхронизировать межпроцессные потоки, критическая секция ограничивается потоками одного процесса. Ограничение компенсируется скоростью — критическая секция работает быстрее, чем мутекс.

Семафоры (semaphore) тоже могут применяться для ограничения доступа к ресурсам, но в отличие от мутексов или критических секций семафор разрешает одновременный доступ со стороны нескольких потоков. Максимальное количество потоков, одновременно получающих доступ к ресурсу, определяется при создании семафора. Затем доступ предоставляется всем потокам до тех пор, пока их количество не достигнет заданного предела. Все остальные потоки, желающие получить доступ, блокируются до тех пор, пока один или несколько потоков не прекратят работу с ресурсом.

Для многопоточного программирования Windows можно выбирать между классами MFC и потоковыми функциями Win32. Microsoft рекомендует использовать в MFC-приложениях классы потоков. Для работы с потоками в MFC предусмотрены следующие классы:

• CWinThread

• CSyncObject

• CEvent

• CCriticalSection

• CMutex

• CSemaphore

• CSingleLock

• CMultiLock

Класс CWinThread представляет отдельный поток. Он присутствует во всех приложениях, потому что класс CWinApp (базовый для класса DirectDrawApp) является производным от CWinThread. Этот экземпляр класса CWinThread представляет основной поток приложения; чтобы добавить новые рабочие потоки, следует создать объекты CWinThread.

Класс CSyncObject является виртуальным. Непосредственное создание экземпляров этого класса не разрешается; он существует лишь для того, чтобы обеспечивать функциональные возможности производных классов. Класс CSyncObject является базовым для классов CEvent, CCriticalSection, CMutex и CSemaphore. Объекты синхронизации, представленные этими классами, рассматривались в предыдущем разделе.

Классы CSingleLock и CMultiLock применяются для блокировки потоков по состоянию одного или нескольких событий. Класс CSingleLock блокирует поток до установки конкретного события, а CMultiLock — до установки одного или всех событий из заданного набора.

Позднее в этой главе мы воспользуемся классами CWinThread, CEvent, CCriticalSSection и CMultiLock.

Оглавление книги