Статические инициализаторы для мьютексов и условных переменных

Обеспечение статической инициализации статически размещаемых в памяти объектов синхронизации позволяет в модулях, содержащих закрытые статические переменные синхронизации, избежать тестирования и соответствующих затрат, связанных с динамической инициализацией. Более того, это упрощает кодирование модулей самоинициализации. Такие модули широко используются в библиотеках, в которых по различным причинам вместо явного вызова функций инициализации используется самоинициализация. Ниже приводится пример использования статической инициализации.

Без применения статической инициализации функция самоинициализации foo () может иметь следующий вид.

static pthread_once_t foo_once = PTHREAD_ONCE_INIT;

static pthread_mutex_t foo_mutex;

void foo_init () {

pthread_mutex_init (& foo_mutex, NULL);

}

void foo() {

pthread_once(& foo_once, foo_init);

pthread_mutex_lock (& foo_mutex);

/* Выполнение действий. */

pthread_mutex_unlock (& foo_mutex);

}

С применением статической инициализации ту же функцию самоинициализации foo() м ожно было бы закодировать таки м образо м.

static pthread_mutex_t foo_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void foo()

{

pthread_mutex_lock(& foo_mutex);

/* Выполнение действий. */

pthread_mutex_unlock(& foo_mutex);

}

Обратите внимание на то, что статическая инициализация устраняет необходимость в тестировании, проводимом в функции pthread_once (), и получении значения адреса & foo_mutex, передаваемого функции pthread_mutex_lock() или pthread_mutex_unlock ().

Таким образом, С-код, написанный для инициализации статических объектов, проще во всех системах и работает быстрее на большом классе систем, в которых объект (внутренней) синхронизации можно хранить в памяти приложения.

До сих пор вопрос о быстродействии блокировок поднимался для машин, которые требовали, чтобы для мьютексов выделялась специальная память. В действительности в таких машинах мьютексы и, возможно, условные переменные должны были содержать указатели на реальные аппаратные средства защиты. Для того чтобы на таких машинах работала статическая инициализация, функция pthread_mutex_lock () также должна проверять, выделена ли память для указателя на реальный объект блокировки. Если не выделена, функция pthread_mutex_lock (), прежде чем его использовать, должна его инициализировать. Резервирование таких ресурсов можно выполнить при загрузке программы, и поэтому для мьютексов и условных переменных не были введены дополнительные коды ошибок, означающие неудачное выполнение инициализации.

Такое динамическое тестирование в функции pthread_mutex_lock(), которое позволяет узнать, был ли инициализирован указатель, могло показаться на первый взгляд лишним. На большинстве компьютеров это было бы реализовано в виде считывания его значения, сравнения с нулем и использования по назначению при условии получения нужного результата сравнения. Несмотря на то что это тестирование кажется лишним, дополнительные затраты (на тестирование содержимого регистра) обычно незначительны, поскольку в действительности никакие дополнительные ссылки на память не делаются. Так как все больше и больше компьютеров оснащаются кэш-памятью (быстродействующей буферной памятью большой емкости), то реальные издержки представляют собой отработку ссылок, а не выполнение инструкций.

В качестве альтернативного варианта (в зависимости от архитектуры компьютера) можно в наиболее важных случаях ликвидировать все расходы системных ресурсов на операции блокировки, которые выполняются после инициализации средств блокировки. Это можно сделать путем перехода от более затратных к редко выполняемым операциям, т.е. перенести весь «груз расходов» на однократно выполняемую инициализацию. Поскольку «внешняя» (т.е. выполняемая вне основной программы) инициализация мьютекса также означает, что для получения реальной блокировки адрес должен быть разыменован, один из широко применяемых методов при статической инициализации состоит в сохранении фиктивного значения для этого адреса; в частности, адреса, который вызывает сбой в работе компьютера. При возникновении такого сбоя во время первой попытки заблокировать мьютекс можно сделать проверку достоверности, а затем для реальной блокировки использовать корректный адрес. Последующие операции, связанные с блокировкой, не будут сопряжены с дополнительными расходами, поскольку они уже не являются «сбойными». Это — всего лишь метод, который можно использовать для поддержки статической инициализации, несмотря на то, что он неблагоприятно отражается на скорости захвата блокировки. Безусловно, существуют и другие методы, которые в высокой степени зависят от архитектуры компьютера.

Расходы на блокировку для компьютеров, выполняющих «внешнюю» инициализацию мьютекса, сравнимы с расходами для модулей, инициализируемых неявным образом (имеются в виду те из них, где достигнута «внутренняя» инициализация мьютексов). Безусловно, «внутренняя» инициализация выполняется гораздо быстрее, но «внешняя» ненамного хуже.

Помимо вопроса быстродействия блокировки, нас беспокоит то, что потоки могут соперничать за блокировки при попытке завершить инициализацию статически размещаемых в памяти мьютексов. (Такое завершение обычно включает захват внутренней блокировки, выделение памяти для структуры, сохранение указателя на эту структуру в мьютексе и освобождение внутренней блокировки.) Во-первых, многие реализации могут сократить эту последовательность действий путем хеширования по адресу мьютекса. Во-вторых, количество таких «сериалов» может быть весьма ограниченным. В частности, их может быть столько, сколько создается статически размещаемых объектов синхронизации. Динамически же создаваемые объекты по-прежнему инициализируются с помощью функций pthread_mutex_init () или pthread_cond_init ().

Наконец, если ни один из описанных выше методов оптимизации для «внешнего» размещения объектов синхронизации не позволяет достичь нужной производительности приложения при использовании определенной реализации, приложение может избежать статической инициализации, явным образом инициализируя все объекты синхронизации c помощью соответствующих функций pthread_*_init(), которые поддерживаются всеми реализациями. В документации на реализацию также могут быть описаны компромиссные решения и рекомендации относительно того, какие методы инициализации являются наиболее эффективными для данной конкретной реализации.