使用临界段原理实现优化的进程间同步对象-原理和实现[1]

使用临界段原理实现优化的进程间同步对象-原理和实现

by jeffrey.richter

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?

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?

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)

“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->uniquethread

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，进程要使用一个别的进程创建的的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.

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)

figure 2: coptex

optex.h

/******************************************************************************