Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi - Джулиан Бакнелл

Этот раздел адресован только тем программистам, которые работают в среде 32-разрядной Windows. Delphi I вообще не поддерживает многопоточную обработку, в то время как Kylix и Linux не предоставляют необходимых примитивных объектов синхронизации, с помощью которых можно было бы решить проблему считывания-записи.

Более серьезная проблема - совместное использование данных несколькими потоками, независимо от того, являются ли данные отдельным целочисленным значением или более сложной структурой данных. По существу, приходится решать вопросы параллельного доступа. Если конкретный поток обновляет часть данных, считывание этих данных в это же время другим потоком лишено смысла. В этом случае считывающий поток (обычно называемый программой считывания {reader} ) может получить частично обновленное значение, поскольку обновляющий поток (программа записи {writer} ) еще не закончил обновление, но операционная система отключилась от него.

При наличии двух или более программ записи достаточно скоро могут возникнуть значительные проблемы, если эти программы обновляют одни и те же данные. Однако никакие проблемы параллельного доступа не должны возникать в случае считывания одних и тех же данных несколькими программами считывания.

На момент написания этой книги большинство пользователей использовало однопроцессорные персональные компьютеры (ПК). В таких компьютерах операционная система осуществляет очень быстрое циклическое переключение между потоками, останавливая один поток и запуская другой. Конкретный метод выполнения этого переключения не имеет значения (нецелесообразно создавать программу для конкретной схемы, поскольку она может зависеть от операционной системы), но следует сразу уяснить, что невозможно точно определить все характеристики переключения (такие, как момент переключения, являются ли определенные операции элементарными и т.п.). Один из лучших, когда-либо слышанных мною советов состоял в том, что многопоточные приложения всегда должны быть протестированы на многопроцессорном компьютере. На таком компьютере операционная система будет действительно одновременно выполнять два или более потока. Все неприятные аспекты проблем параллельной обработки неизбежно проявятся при запуске программы на ПК с двумя или более процессорами. Даже если тестовая программа успешно выполняется на однопроцессорном ПК (возможно, потому, что переключение потоков всегда выполнятся в удачные моменты времени), на многопроцессорном компьютере код может разрушаться из-за каких-нибудь причудливых ошибок.

Поэтому требуется механизм блокировки. Программа записи должна иметь возможность "блокировать" определенные данные, чтобы во время их обновления никакая другая программа записи или считывания не могла получить к ним доступ. Аналогично, во время считывания данных программой считывания никакая программа записи не должна быть в состоянии их обновить, но другие программы считывания должны по-прежнему иметь к ним доступ.

Похоже, что в среде 32-разрядной Windows существует множество объектов, обеспечивающих синхронизацию: критический раздел, флаг синхронизации, семафор, событие, но ни один из них не подходит для решения поставленной задачи полностью. Критический раздел и флаг синхронизации подходят больше других, но они не позволят нескольким программам считывания одновременно получать доступ к одним и тем же данным.

Если для работы с многопоточными данными совместного использования применяется класс TList, Delphi 3 и последующие версии языка предоставляет класс TThreadedList. В основном, применяемая в этом классе стратегия синхронизации реализуется следующим образом: каждое обращение к TList защищается критическим разделом или флагом синхронизации. Delphi-версия класса TThreadedList предоставляет метод LockList, который выполняет вход в критический раздел и возвращает внутренний класс TList. Затем поток может свободно использовать этот объект TList до момента своего завершения, после чего подпрограмма потока должна вызвать метод UnLockList для выхода из критического раздела.

Хотя это решение работает, и притом весьма успешно, ему присущ очевидный недостаток: в любой отдельный момент времени только один поток может иметь доступ к объекту TList. Класс не делает никакого различия между доступом для считывания (в процессе которого список не изменяется) и доступом для записи (при котором он изменяется). Как уже отмечалось, в любой отдельный момент времени может существовать много программ, осуществляющих одновременное считывание объекта TList. Но может существовать только одна программа, осуществляющая запись в него. Это решение, хотя его и просто реализовать, характеризуется избыточностью. Оно не позволяет с максимальной эффективностью использовать TList для многопоточной обработки.

Определим действия, которые должен был бы выполнять объект синхронизации. Нам требуется единый объект, который мог бы использоваться для синхронизации доступа к данным как программой считывания, так и программой записи. Он должен допускать одновременное существование нескольких активных потоков считывания. В любой данный момент времени он должен допускать существование только одного активного потока записи, и, если такой поток существует, не должно существовать ни одного активного потока считывания (они могут обращаться к каким-либо данным в структуре данных, которые в данный момент обновляются).

В идеале необходимо определить также следующее поведение. Если потоку требуется выполнить запись в структуру данных, он должен иметь возможность сообщить об этом объекту. В этом случае объект заблокирует запуск любых новых потоков считывания до момента завершения всех текущих потоков считывания. Затем он позволит продолжить выполнение потока записи. Если никакого ожидающего своей очереди потока записи не существует, поток считывания должен получить беспрепятственный доступ к структуре данных. Необходимо каким-то способом обеспечить возможность постановки нескольких потоков записи в очередь. По существу, это требование означает, что объект синхронизации должен принудительно организовывать цикл использования объекта TList многими потоками считывания, затем единственным потоком записи, затем многими потоками считывания и т.д.

Из приведенного определения понятно, что должен существовать какой-то примитивный объект синхронизации, которому поток записи мог бы сигнализировать о завершении обновления, чтобы можно было запустить потоки записи. (под примитивным понимается какой-либо объект, предоставляемый самой операционной системой). И наоборот, должен существовать объект синхронизации, которому последний поток в наборе потоков считывания мог бы сигнализировать о завершении своей работы, чтобы можно было предоставить свободу действий потоку записи.

Разрабатываемый нами комплексный объект нуждается, по меньшей мере, в четырех методах. Поток считывания вызывает первый метод, чтобы начать считывание (обратите внимание, что внутри этой подпрограммы может происходить блокировка, обеспечивающая ожидание окончания работы потока записи). Иногда этот метод называют подпрограммой регистрации считывания (reader registration routine). Как только поток считывания завершает свою работу, он должен вызвать другую подпрограмму для прекращения использования объекта синхронизации и, возможно, предоставления свободы действий потоку записи (подпрограмма отмены регистрации считывания). Аналогично такие же две подпрограммы должны существовать и для потока записи. Назовем эти четыре подпрограммы, соответственно, StartReading, StopReadlng, StartWriting и StopWriting.

Описать возможную работу этого объекта достаточно легко. Сложнее его действительно реализовать. Подпрограмма StartReading выполняет несколько задач. Вначале она должна проверить существование ожидающего своей очереди потока записи. При наличии хотя бы одного такого потока, подпрограмма должна перейти в режим ожидания поступления какого-либо объекта синхронизации. Наиболее подходящие кандидаты на роль такого объекта - семафор или событие (эти объекты допускают одновременный запуск нескольких потоков при поступлении сигнала, в то время как флаг синхронизации или критический раздел не допускают этого). Если в данный момент времени поток записи действительно выполняется, подпрограмма StartReading должна выполнять блокировку таким же образом. В отсутствии выполняющегося или ожидающего потока записи подпрограмма StartReading регистрирует поток как считывающий, осуществляет выход, после чего поток получает возможность немедленно продолжить свою работу.

Метод StopReading должен выяснить, выполняется ли в данный момент последний поток считывания. Если это так, метод должен предоставить свободу действий потоку записи, передавая ему ожидаемый им сигнализирующий объект. Если ожидающий поток записи отсутствует, могут существовать ожидающие потоки считывания. Поэтому метод должен оставить объект в таком состоянии, чтобы поток считывания или записи мог быть немедленно запущен при вызове соответствующей запускающей подпрограммы.