Читаем Linux API. Исчерпывающее руководство полностью

threads/thread_incr_mutex.c

Функции pthread_mutex_trylock() и pthread_mutex_timedlock()

Программный интерфейс Pthreads предоставляет две разновидности функции pthread_mutex_lock(): pthread_mutex_trylock() и pthread_mutex_timedlock() (их прототипы ищите на соответствующих справочных страницах).

Функция pthread_mutex_trylock() делает то же самое, что и pthread_mutex_lock(), но если мьютекс закрыт, возвращает ошибку EBUSY.

Особенностью функции pthread_mutex_timedlock() является то, что она позволяет указать дополнительный аргумент abstime, который ограничивает время, отводящееся на получение мьютекса. Если это время истекло, а вызывающий поток все еще не стал владельцем мьютекса, функция pthread_mutex_timedlock() возвращает ошибку ETIMEDOUT.

Функции pthread_mutex_trylock() и pthread_mutex_timedlock() являются гораздо менее популярными, чем pthread_mutex_lock(). В большинстве хорошо спроектированных приложений поток должен удерживать мьютекс на протяжении короткого отрезка времени, чтобы не мешать параллельному выполнению других потоков. Благодаря этому другие потоки вскоре смогут сами открыть этот мьютекс. Поток, который периодически вызывает функцию pthread_mutex_trylock(), чтобы проверить, можно ли закрыть мьютекс, рискует стать наименее «удачливым» с точки зрения частоты получения доступа к ресурсу по сравнению с потоками, которые находятся в очереди и закрывают мьютекс с помощью функции pthread_mutex_lock().

30.1.3. Производительность мьютексов

Какова цена использования мьютексов? Мы рассмотрели две разные версии одной программы, которая инкрементирует разделяемую переменную: одну с мьютексами (см. листинг 30.2), а другую — без (см. листинг 30.1). Запустив их на компьютере с архитектурой x86-32 под управлением Linux 2.6.31 (с NPTL), мы обнаружим, что для выполнения 10 миллионов итераций в каждом из потоков версии без мьютексов (которая выдает неправильный результат) понадобилось 0,35 секунды, а версии с мьютексами — 3,1 секунды.

На первый взгляд это может показаться расточительством. Но давайте рассмотрим главный цикл, выполняемый версией без мьютексов (см. листинг 30.1). В этой версии функция threadFunc() выполняет цикл for, который инкрементирует контролирующую его переменную, сравнивает ее значение с другой переменной, производит два присваивания и еще одну инкрементацию, после чего возвращается в начало цикла. Версия с мьютексами (см. листинг 30.2) выполняет те же шаги, но, кроме этого, закрывает и открывает мьютекс на каждой итерации. Иными словами, затраты на закрытие и открытие мьютекса примерно в десять раз меньше, чем затраты на операции, перечисленные выше в контексте первой программы. Это требует относительно небольших ресурсов. Более того, в типичной ситуации поток тратит намного больше времени на выполнение другой работы и производит меньше закрытий и открытий, поэтому в большинстве приложений влияние мьютексов на производительность не является значительным.

Для сравнения, запуск некоторых простых тестовых программ в той же системе с 20 миллионами итераций, в которых происходит блокирование и разблокирование файлового участка с помощью вызова fcntl() (см. раздел 51.3), занимает 44 секунды, в то время как для такого же количества итераций с инкрементацией и декрементацией семафора из System V требуется 28 секунд. Проблема с файловыми блокировками и семафорами состоит в том, что для операций блокирования и разблокирования всегда требуется системный вызов, который неизменно влечет к небольшим, но заметным затратам (см. раздел 3.1). Мьютексы, с другой стороны, реализованы с помощью атомарных операций на машинном языке (выполняемых на участках памяти, видимых для всех потоков) и требуют выполнения системного вызова только в случае, если за установление блокировки конкурируют сразу несколько потоков.

В Linux мьютексы реализованы с применением фьютексов (акроним от fast user space mutexes — «быстрые мьютексы пользовательского пространства»), а конфликты при блокировании разрешаются с помощью системного вызова futex(). В этой книге мьютексы не описываются (они не предназначены для непосредственного применения в пространстве пользователя), но подробности о них можно найти в книге [Drepper, 2004 (a)], где также идет речь о реализации мьютексов на основе фьютексов. [Franke et al., 2002] — это (уже устаревший) документ, написанный разработчиками фьютексов, в котором содержится описание ранней реализации этой технологии и ее преимуществ в плане производительности.

30.1.4. Взаимное блокирование мьютексов