Тема 3. Объекты ядра и их использование в приложении

План лекции

1. Предупреждение состояния состязаний

2. Средства взаимного исключения

3. Синхронизация потоков

4. Создание и закрытие процессов и потоков

5. Открытие и закрытие файлов

6. Мьютексы

7. Семафоры

1. Предупреждение состояния состязаний

1.1. Проблема состояния гонки

Состояние гонки (Race Condition) — ситуация, когда результат выполнения программы зависит от порядка выполнения операций в разных потоках.

Пример:

// Общая переменная
int counter = 0;

// Поток 1: counter++    // Поток 2: counter++
MOV EAX, [counter]       MOV EAX, [counter]
INC EAX                  INC EAX
MOV [counter], EAX       MOV [counter], EAX
// Результат: 1 вместо 2!

Критическая секция — участок кода, обращающийся к разделяемым данным.

1.2. Четыре условия корректности критической секции

Любое решение задачи критической секции должно обеспечивать выполнение четырёх условий:

Классификация решений:

• Аппаратные (атомарные инструкции)
• Программные (алгоритмы Петерсона, Деккера)
• Средства ОС (объекты ядра: мьютексы, семафоры)

2. Средства взаимного исключения

2.1. Аппаратные средства

// Test-And-Set
int test_and_set(int *lock) {
    int old = *lock;
    *lock = 1;
    return old;
}

// Compare-And-Swap (CAS)
int compare_and_swap(int *value, int expected, int new_value) {
    int temp = *value;
    if (*value == expected)
        *value = new_value;
    return temp;
}

2.2. Спинлоки

volatile int lock = 0;

void acquire() {
    while (test_and_set(&lock) == 1)
        ; // Активное ожидание
}

void release() {
    lock = 0;
}

3. Синхронизация потоков

3.1. Объекты синхронизации Windows

3.2. Функции ожидания Windows

// Ожидание одного объекта
DWORD WaitForSingleObject(
    HANDLE hHandle,
    DWORD dwMilliseconds
);

// Ожидание нескольких объектов
DWORD WaitForMultipleObjects(
    DWORD nCount,
    const HANDLE *lpHandles,
    BOOL bWaitAll,
    DWORD dwMilliseconds
);

// Константы времени ожидания
INFINITE      // Бесконечное ожидание
0             // Проверка без блокировки

4. Создание и закрытие процессов и потоков

4.1. Создание процесса в Windows

STARTUPINFO si = { sizeof(si) };
PROCESS_INFORMATION pi;

BOOL result = CreateProcess(
    L"C:\\Windows\\notepad.exe",
    NULL, NULL, NULL, FALSE,
    CREATE_NEW_CONSOLE,
    NULL, NULL,
    &si, &pi
);

if (result) {
    // pi.hProcess — дескриптор процесса
    // pi.hThread — дескриптор первичного потока
    // pi.dwProcessId — идентификатор процесса
    CloseHandle(pi.hProcess);
    CloseHandle(pi.hThread);
}

4.2. Создание потока в Windows

DWORD WINAPI ThreadFunc(LPVOID lpParam) {
    int* data = (int*)lpParam;
    // Работа потока
    return 0;
}

HANDLE hThread = CreateThread(
    NULL,           // Атрибуты безопасности
    0,              // Размер стека
    ThreadFunc,     // Функция потока
    &param,         // Параметр
    0,              // Флаги
    &threadId       // ID потока
);

WaitForSingleObject(hThread, INFINITE);
CloseHandle(hThread);

4.3. Завершение процессов и потоков

// Поток
return value;           // Из функции потока
ExitThread(exitCode);   // Явное завершение

// Процесс
ExitProcess(exitCode);  // Завершение процесса

// Осторожно! Может привести к утечкам
TerminateThread(hThread, exitCode);
TerminateProcess(hProcess, exitCode);

5. Открытие и закрытие файлов

5.1. Работа с файлами в Windows

HANDLE CreateFile(
    LPCTSTR lpFileName,
    DWORD dwDesiredAccess,      // GENERIC_READ, GENERIC_WRITE
    DWORD dwShareMode,          // FILE_SHARE_READ, FILE_SHARE_WRITE
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes,
    DWORD dwCreationDisposition,// CREATE_NEW, OPEN_EXISTING, etc.
    DWORD dwFlagsAndAttributes, // FILE_ATTRIBUTE_NORMAL
    HANDLE hTemplateFile
);

// Пример
HANDLE hFile = CreateFile(
    L"data.txt",
    GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
    0, NULL, OPEN_ALWAYS,
    FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL
);

5.2. Чтение и запись файлов

// Чтение
BOOL ReadFile(
    HANDLE hFile,
    LPVOID lpBuffer,
    DWORD nNumberOfBytesToRead,
    LPDWORD lpNumberOfBytesRead,
    LPOVERLAPPED lpOverlapped
);

// Запись
BOOL WriteFile(
    HANDLE hFile,
    LPCVOID lpBuffer,
    DWORD nNumberOfBytesToWrite,
    LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,
    LPOVERLAPPED lpOverlapped
);

// Закрытие
BOOL CloseHandle(HANDLE hFile);

6. Мьютексы

6.1. Концепция мьютекса

Мьютекс (Mutex) — объект ядра для взаимного исключения.

6.2. Использование мьютекса в Windows

// Создание
HANDLE hMutex = CreateMutex(
    NULL,       // Атрибуты безопасности
    FALSE,      // Начальное владение
    L"MyMutex"  // Имя (может быть NULL)
);

// Захват
DWORD result = WaitForSingleObject(hMutex, INFINITE);
if (result == WAIT_OBJECT_0) {
    // Критическая секция
}

// Освобождение
ReleaseMutex(hMutex);

// Закрытие
CloseHandle(hMutex);

6.3. Мьютексы в POSIX

#include <pthread.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// Инициализация с атрибутами
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

// Захват
pthread_mutex_lock(&mutex);

// Критическая секция

// Освобождение
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// Уничтожение
pthread_mutex_destroy(&mutex);

6.4. Типы мьютексов POSIX

Рекурсивный мьютекс:

pthread_mutex_lock(&mutex);   // Захват 1
pthread_mutex_lock(&mutex);   // Захват 2 (OK для RECURSIVE)
// ...
pthread_mutex_unlock(&mutex); // Освобождение 2
pthread_mutex_unlock(&mutex); // Освобождение 1

7. Семафоры

7.1. Концепция семафора

Семафор — объект ядра с целочисленным счетчиком.

Операции Дейкстры:

• P (Proberen) — уменьшить, захватить
• V (Verhogen) — увеличить, освободить

Семафор = N (максимум потоков)

Поток 1: P() → Семафор = N-1 → доступ
Поток 2: P() → Семафор = N-2 → доступ
...
Поток N: P() → Семафор = 0 → блокировка

7.2. Семафоры в Windows

// Создание
HANDLE hSemaphore = CreateSemaphore(
    NULL,       // Атрибуты
    2,          // Начальное значение
    5,          // Максимальное значение
    L"MySem"    // Имя
);

// Захват (уменьшение)
DWORD result = WaitForSingleObject(hSemaphore, INFINITE);

// Освобождение (увеличение)
ReleaseSemaphore(hSemaphore, 1, NULL);

// Закрытие
CloseHandle(hSemaphore);

7.3. Семафоры в POSIX

#include <semaphore.h>

// Именованный семафор
sem_t *sem = sem_open("/mysem", O_CREAT, 0644, 5);

// Безымянный семафор
sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 5);  // 0 — межпоточный, 5 — начальное значение

// Операции
sem_wait(&sem);     // P() — захват
sem_post(&sem);     // V() — освобождение

// Получение значения
int value;
sem_getvalue(&sem, &value);

// Закрытие
sem_close(sem);
sem_unlink("/mysem");

7.4. Сравнение примитивов синхронизации

Рекомендации:

• Critical Section — для потоков одного процесса
• Mutex — для межпроцессной синхронизации
• Semaphore — для пулов ресурсов

Резюме

Ключевые моменты лекции:

1. Состояние гонки — проблема параллельного доступа к данным
2. Критическая секция — код, требующий защиты
3. Спинлоки — активное ожидание для коротких секций
4. Мьютексы — взаимное исключение с владением
5. Семафоры — управление доступом к ограниченным ресурсам
6. Объекты ядра — мощный инструмент синхронизации

Вопросы для самопроверки

1. Что такое состояние гонки и как его избежать?
2. Какие условия должны выполняться для корректной синхронизации?
3. Чем отличается мьютекс от семафора?
4. Какие проблемы возникают при принудительном завершении потока?
5. Как работают атомарные операции?
6. Когда использовать спинлоки, а когда мьютексы?

Практические задания

Самостоятельная работа (8 часов):

1. Написать программу с созданием процесса (CreateProcess/fork)
2. Реализовать создание и завершение потока
3. Использовать мьютекс для защиты общей переменной
4. Написать программу с семафором для ограничения параллельных задач

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Таненбаум, Э. Современные операционные системы. — 4-е изд. — СПб.: Питер, 2021.
2. Kerrisk, M. The Linux Programming Interface. — No Starch Press, 2010.
3. Бутенхоф, Д. Программирование с использованием POSIX Threads. — СПб.: Символ-Плюс, 2002.

Дополнительная:

4. C++ Concurrency In Action (Williams, A.) — Manning, 2019
5. man pages: pthread_mutex(3), sem_overview(7), CreateThread
6. MSDN: Synchronization Objects