使用临界段实现优化的进程间同步对象-原理和实现

1.概述:
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?
2.原理和实现
2.1为什么临界段快? 是“真的”快吗?
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)
2.3进程边界怎么办？
“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，进程要使用一个存在于别的进程里的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.
2.4 COptex，优化的同步对象类
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)
以下是COptex代码。原代码下载
Figure 2: COptex
Optex.h
/******************************************************************************
Module name: Optex.h
Written by: Jeffrey Richter
Purpose: Defines the COptex (optimized mutex) synchronization object
******************************************************************************/
#pragma once
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
class COptex {
public:
COptex(LPCSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000);
COptex(LPCWSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000);
~COptex();
void SetSpinCount(DWORD dwSpinCount);
void Enter();
BOOL TryEnter();
void Leave();
private:
typedef struct {
DWORD m_dwSpinCount;
long m_lLockCount;
DWORD m_dwThreadId;
long m_lRecurseCount;
} SHAREDINFO, *PSHAREDINFO;
BOOL m_fUniprocessorHost;
HANDLE m_hevt;
HANDLE m_hfm;
PSHAREDINFO m_pSharedInfo;
private:
BOOL CommonConstructor(PVOID pszName, BOOL fUnicode, DWORD dwSpinCount);
};
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
inline COptex::COptex(LPCSTR pszName, DWORD dwSpinCount) {
CommonConstructor((PVOID) pszName, FALSE, dwSpinCount);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
inline COptex::COptex(LPCWSTR pszName, DWORD dwSpinCount) {
CommonConstructor((PVOID) pszName, TRUE, dwSpinCount);
}
Optex.cpp
/******************************************************************************
Module name: Optex.cpp
Written by: Jeffrey Richter
Purpose: Implements the COptex (optimized mutex) synchronization object
******************************************************************************/
#include <windows.h>
#include "Optex.h"
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
BOOL COptex::CommonConstructor(PVOID pszName, BOOL fUnicode, DWORD dwSpinCount)
{
m_hevt = m_hfm = NULL;
m_pSharedInfo = NULL;
SYSTEM_INFO sinf;
GetSystemInfo(&sinf);
m_fUniprocessorHost = (sinf.dwNumberOfProcessors == 1);
char szNameA[100];
if (fUnicode) { // Convert Unicode name to ANSI
wsprintfA(szNameA, "%S", pszName);
pszName = (PVOID) szNameA;
}
char sz[100];
wsprintfA(sz, "JMR_Optex_Event_%s", pszName);
m_hevt = CreateEventA(NULL, FALSE, FALSE, sz);
if (m_hevt != NULL) {
wsprintfA(sz, "JMR_Optex_MMF_%s", pszName);
m_hfm = CreateFileMappingA(NULL, NULL, PAGE_READWRITE, 0, sizeof(*m_pSharedInfo), sz);
if (m_hfm != NULL) {
m_pSharedInfo = (PSHAREDINFO) MapViewOfFile(m_hfm, FILE_MAP_WRITE,
0, 0, 0);
// Note: SHAREDINFO's m_lLockCount, m_dwThreadId, and m_lRecurseCount
// members need to be initialized to 0. Fortunately, a new pagefile
// MMF sets all of its data to 0 when created. This saves us from
// some thread synchronization work.
if (m_pSharedInfo != NULL)
SetSpinCount(dwSpinCount);
}
}
return((m_hevt != NULL) && (m_hfm != NULL) && (m_pSharedInfo != NULL));
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
COptex::~COptex() {
#ifdef _DEBUG
if (m_pSharedInfo->m_dwThreadId != 0) DebugBreak();
#endif
UnmapViewOfFile(m_pSharedInfo);
CloseHandle(m_hfm);
CloseHandle(m_hevt);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void COptex::SetSpinCount(DWORD dwSpinCount) {
if (!m_fUniprocessorHost)
InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo->m_dwSpinCount, dwSpinCount);
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void COptex::Enter() {
// Spin, trying to get the Optex
if (TryEnter()) return;
DWORD dwThreadId = GetCurrentThreadId(); // The calling thread's ID
if (InterlockedIncrement(&m_pSharedInfo->m_lLockCount) == 1) {
// Optex is unowned, let this thread own it once
InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo->m_dwThreadId, dwThreadId);
m_pSharedInfo->m_lRecurseCount = 1;
} else {
// Optex is owned by a thread
if (m_pSharedInfo->m_dwThreadId == dwThreadId) {
// Optex is owned by this thread, own it again
m_pSharedInfo->m_lRecurseCount++;
} else {
// Optex is owned by another thread
// Wait for the Owning thread to release the Optex
WaitForSingleObject(m_hevt, INFINITE);
// We got ownership of the Optex
InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo->m_dwThreadId,
dwThreadId); // We own it now
m_pSharedInfo->m_lRecurseCount = 1; // We own it once
}
}
}
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
　
BOOL COptex::TryEnter() {
DWORD dwThreadId = GetCurrentThreadId(); // The calling thread's ID
// If the lock count is zero, the Optex is unowned and
// this thread can become the owner of it now.
BOOL fThisThreadOwnsTheOptex = FALSE;
DWORD dwSpinCount = m_pSharedInfo->m_dwSpinCount;
do {
fThisThreadOwnsTheOptex = (0 == (DWORD)
InterlockedCompareExchange((PVOID*) &m_pSharedInfo->m_lLockCount,
(PVOID) 1, (PVOID) 0));
if (fThisThreadOwnsTheOptex) {
// We now own the Optex
InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo->m_dwThreadId,
dwThreadId); // We own it
m_pSharedInfo->m_lRecurseCount = 1; // We own it once
} else {
// Some thread owns the Optex
if (m_pSharedInfo->m_dwThreadId == dwThreadId) {
// We already own the Optex
InterlockedIncrement(&m_pSharedInfo->m_lLockCount);
m_pSharedInfo->m_lRecurseCount++; // We own it again
fThisThreadOwnsTheOptex = TRUE; // Return that we own the Optex
}
}
} while (!fThisThreadOwnsTheOptex && (dwSpinCount-- > 0));
// Return whether or not this thread owns the Optex
return(fThisThreadOwnsTheOptex);
}
　
///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
　
void COptex::Leave() {
#ifdef _DEBUG
if (m_pSharedInfo->m_dwThreadId != GetCurrentThreadId())
DebugBreak();
#endif
if (--m_pSharedInfo->m_lRecurseCount > 0) {
// We still own the Optex
InterlockedDecrement(&m_pSharedInfo->m_lLockCount);
} else {
// We don't own the Optex
InterlockedExchange((PLONG) &m_pSharedInfo->m_dwThreadId, 0);
if (InterlockedDecrement(&m_pSharedInfo->m_lLockCount) > 0) {
// Other threads are waiting, wake one of them
SetEvent(m_hevt);
}
}
}
　
///////////////////////////////// End of File /////////////////////////////////
使用这个COptex是很简单的事情,只要构造用下面这两种构造函数一个C++类的实例即可.
构造函数
COptex(LPCSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000);
COptex(LPCWSTR pszName, DWORD dwSpinCount = 4000);
他们都调用了
BOOL CommonConstructor(PVOID pszName, BOOL fUnicode, DWORD dwSpinCount);
构造一个COptex对象必须给它一个字符串型的名字，在突破进程边界的时候这是必须的，只有这个名字能提供共享访问.构造函数支持ANSI或Unicode的名字。
当另外一个进程使用相同的名字构造一个COptex对象，构造函数如何发现已经存在的COptex对象?在CommonConstructor代码中用CreateEvent尝试创建一个命名Event对象,如果这个名字的Event对象已经存在,那么,得到该对象的句柄,并且GetLastError可以得到ERROR_ALREADY_EXISTS.如果不存在则创建一个.如果创建失败,则得到的句柄为NULL.
同样的，可以得到一个共享的内存映象文件的句柄.
构造成功后，在需要同步时，根据情况简单的执行相应的进程间同步操作。构造函数的第二个参数用来指定Spin计数,默认是4000(这是操作系统序列化堆Heap的函数所使用的数量.操作系统在分配和释放内存的时候,要序列化进程的堆,这时也要用到临界段)
COptex类的其他函数和Win32函数是一一对应的.熟悉同步对象的程序员应该很容易理解.
COptex是如何工作的呢?实际上,一个COptex包含两个数据块(Data blocks):一个本地的,私有的;另一个是全局的,共享的.一个COptex对象构造之后,本地数据块包含了COptex的成员变量：m_hevt变量初始化为一个命名事件对象句柄；m_hfm变量初始化为一个内存映象文件对象句柄.既然这些句柄代表的对象是命名的，那么,他们可以在进程间共享。注意,是"对象"可以共享,而不是"对象的句柄".每个进程内的COptex对象都必须保持这些句柄在本进程内的值.
m_pShareInf成员指向一个内存映象文件,全局数据块在这个内存映象文件里,以指定的共享名存在. SHAREDINFO结构是内存映象数据的组织方式,该结构在COptex类里定义,和CRITCIAL_SECTION的结构非常相似.
typedef struct {
DWORD m_dwSpinCount;
long m_lLockCount;
DWORD m_dwThreadId;
long m_lRecurseCount;report-2001-03-07.htm
} SHAREDINFO, *PSHAREDINFO;
m_dwSpinCount : spin计数
m_lLockCount : 锁定计数
m_dwThreadID : 拥有该临界段的线程ID
m_lRecurseCount:本线程拥有该临界段的计数
好了,仔细看看代码吧,大师风范呀.注意一下在进行同步时,关于是否同一线程,关于LockCount的值的一系列的判断,以及InterLockedXXX系列函数的使用,具体用法查MSDN.
bear最喜欢这样的代码了,简单明了,思路清晰,原理超值,看完了只想大喝一声"又学一招,爽!"
bear也写累了 ,收工:).
2001.3.2
随意转载,只要不去掉Jeffrey的名字,还有bear的:D
翻译有错,请找vcbear@sina.com或留言,不懂Win32编程看下面:
Have a question about programming in Win32? Contact Jeffrey Richter at http://www.jeffreyrichter.com/ From the January 1998 issue of Microsoft Systems Journal.