Разработка многопоточных приложений: Методические указания к курсу ''Системное и прикладное программное обеспечение''

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т Ф акультетп рикладной математикиимеханики К а ф едр а т ехн и ческой ки бер н ет и ки и а вт ом а т и ческого р егу ли р ова н и я

Р азраб о тка м н о г о п о то чн ы х п рило ж ен ий М етодичес киеуказания к курс у « Системноеип рикладноеп рог раммное об есп ечение» для с тудентов 3 курсад/о ф акультетаП М М

Составители: Рудалев В .Г., К ры ж ановская Ю .А .

В оронеж , 2001 1

В методических указаниях оп ис ы ваю тся основы создания мног оп оточны х п рилож ений для оп ерационны х систем Windows 95/98/NT/2000. И злож енаметодикаис п ользования стандартны х средств интерф ейс ап рикладног о п рог раммирования API Win32 исп ециализированны х классов среды п рог раммирования Delphi. М етодические указания рас считаны настудентов 3 курсад.о. ф -таП М М , имею щ их начальное п редставление об архитектуре Win32 инавы кип рог раммирования в средеDelphi 4.0 – 5.0. Рецензент: доценткаф едры М О Э В М Ю .Т .Свиридов

С оде р ж ан и е 1. О сновны еп онятия… … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 2. Созданиеп отоков средствамиAPI… … … … … … … … … … … ..4 3. К лас сTThread… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 7 4. Синхронизация п отоков… … … … … … … … … … … … … … ..… 12 5. Задания для самос тоятельной раб оты … … … … … … … … … ...18 Литература… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 19

1. О сн овн ы епон яти я П от ок (Thread, н и т ь выполн ен и я) – исп олняемая сущ ность пр оцесса . П р оцесс вклю чаетв себ я загруж енную в оп еративную п амять исп олняемую п рог рамму, виртуальное адресное п ространство, системны е ип ользовательские ресурсы , вы деленны е п рог рамме, и один илинесколько пот оков (н и т ей) вы п олнения. В каж дом п роцессевсег данеявно (незаметно для п рог раммистаинезависимо отег о воли) п рис утствуетодин осн овн ой пот ок пр и лож ен и я, остальны е п отокип ринеоб ходимостип рог раммистп иш етсам. П отокивы п олняю тся п араллельно в виртуальном адресном п рос транстве п ородивш ег о их п роцессаи разделяю т ресурсы этог о п роцесса. Е диницей мног озадачностив Windows является п оток, ане п роцесс. П оток мож но рассматривать как автономно раб отаю щ ую и уп равляемую часть п рилож ения, амног оп оточнос ть п рилож ения – как мног озадачность внутри п рог раммы . Средип ричин, п об уж даю щ их создавать именно мног оп оточны еп рилож ения, п реж девсег о следуетвы делить следую щ ие. П овы ш е н и ен аде ж н ости пр огр ам м ы . Зацикливание основног о п отока п рилож ения п олностью б локирует ег о раб оту, п риэтом п рилож ение мож ет б ы ть заверш ено лиш ь п рип омощ идисп етчеразадач (Task Manager), что, как п равило, соп ровож дается п отерей нес охраненны х данны х. П оэтому « неб лагонадеж ны е» вы числительны еф рагменты рекомендуется п еренос ить изосновног о п отокав отдельны е доп олнительны е п отоки, п редусмотрев возмож ность их досрочног о заверш ения (см. лаб .раб оты 1,2). 2

П овы ш е н и еб ы стр оде йстви я, экон ом и я р е сур сов и р асш и р е н и ефун кци он альн ы х возм ож н осте й пр огр ам м ы . М ног оп оточность п озволяет п араллельно вы п олнять отдельны е участкип рог раммы наЭ В М снесколькимип роцессорами, или вы п олнять их наодном п роцессоре « п севдоп араллельно», исп ользуя механизм вы тесняю щ ей мног озадачнос ти Windows. Н ап ример, различны е п отоки в Microsoft Word одновременно п ринимаю т п ользовательский ввод, п роверяю т орф ог раф ию в ф оновом реж име ип ечатаю т документ. Microsoft Excel с троит диаг раммы ивы п олняетматематическиерасчеты в ф оновом реж име. Сервер б азданны х для ответанакаж ды й зап росклиентазап ускает отдельны й п оток, в п ротивном случаеп риш лос ь б ы либ о зап ускать отдельную коп ию сервера, нап расно расходуя ресурсы , либ о чрезвы чайно ус лож нять лог ику ег о раб оты . И нтерф ейсп рикладны х п рог рамм разнооб разятанимация, восп роизведениезвукаит.п ., вы п олняемы еотдельны мип отоками. Н ап омним, что п ривы тесняю щ ей мног озадачностип отокивы п олняю тся п оп еременно, время п роцессоравы деляется п отокам ква н т а м и (около 19 мс). О С вы тесняет п оток, ког даистечет ег о квант иликог данаочередип оток сб ольш им п риоритетом. П риоритеты п ос тоянно п ересчиты ваю тся, чтоб ы изб еж ать моноп олизации п роцессора одним п отоком. С каж ды м п отоком связан кон т екст – структура, содерж ащ ая инф ормацию о состояниип отока, в том числесодерж имое рег истров п роцессора. (Более п одроб ную инф ормацию мож но п олучить, изучив структуру TContext в ф айле windows.pas изп ап ки..\borland\delphi4\source\rtl\win.) В ы теснение п отокасоп ровож дается сохранением содерж имог о рег истров в контексте, ап олучениеп отоком квантавремени- восстановлением рег истров изконтекста. К числу тип ичны х п роб лем, возникаю щ их п риисп ользованиип отоков, относятся так назы ваемы егон ки и т у пи ки . К онф ликт(collision) гон ок п роисходит, ког дадвап отокап ы таю тс я изменить одну иту ж е об ластип амяти. Е слине п редп ринимать сп ециальны х мер синхронизации, результатб удетнеп редс казуемы м и зависимы м оттог о, какой изп отоков « усп еетп ервы м». Н ап ример, насчету в б анкеб ы ло 1000$. П ервы й п оток снял 300$ со счетав б анке, но остаток зап исать не усп ел, так как б ы л вы тес нен друг им п отоком. В торой п оток снял деньг и999$ (разумеетс я, с1000$), зап исал остаток 1$, но тут уп равление вновь п олучил п ервы й п оток и, зап исав ос таток 700$, уничтож ил « следы деятельности» второг о п отока. Ту пи ки возникаю т, ког да п отокиож идаю трес урс ы , занимаемы едруг друг ом. Н ап ример, п оток А держ ит рес урс1, ож идая ког дап оток Б отдас т ему ресурс2, Н о п оток Б ресурснеотдает, так как ж детресурса1. В результатеоб ап отокаб ездействую т. О б е п роб лемы мог ут б ы ть реш ены сп омощ ью средств синхронизациип отоков, оп исы ваемы х ниж е.

3

2. С о здан ие п о то ко в средствам и API И сп ользование б иб лиотекиAPI Win32 – наиб олее мощ ны й иуниверсальны й сп ос об раб оты сп отоками наб ольш инстве язы ков п рог раммирования [6]. И мею щ иеся в Delphi сп ециализированны е классы являю тся надстройкой над соответствую щ имиф ункциямиAPI. П оток создается сп омощ ью ф ункцииAPI, возвращ аю щ ей дескрип тор п отока function CreateThread ( Attr: Pointer; // Адрес атрибутов безопасности Stack: Dword; // Размер стека для потока Start: Pointer; // Начальный адрес потока par: pointer; // Аргументы потока flag: Dword; // флаг создания var ID: Dword // Возвращаемый идентификатор потока ): THandle; // Результат функции – дескриптор потока

П араметр Attr об ы чно задается равны м Nil, что соответствуетатриб утам б езоп асностип о умолчанию (б олееп одроб но см. раздел Win32 Programmer’s Reference в сп равочной системеDelphi). П араметр Stack задаетразмер стекадля п отока. Е слион равен нулю , то размер стекасовп адаетсразмером стекаос новног о п отокап рилож ения. П араметр Start – основной. Ч ерезнег о п ередается адресф ункции, вы зы ваемой п ри зап уске п отока. Э та ф ункция об язана возвращ ать результат тип а longint, иметь один п араметр тип аPointer. П риоп исанииф ункциинеоб ходимо указы вать атриб утstdcall (см.листинг ), оп ределяю щ ий стандартны й для API сп особ вы зоваф ункции(зап ись арг ументов в с тек в п орядке сп рава-налево, очистка стекап ризаверш ениираб оты самой п одп рог раммой). П араметр Par – указатель наструктуру (зап ись), содерж ащ ую арг ументы , п ередаваемы ев п роцедуру п отока. Е слиPar=Nil, то арг ументы отсутствую т. Е сли задать ф лаг с оздания flag, равны й нулю , то п оток сразу начнетраб оту, аеслиуказать константу CREATE_SUSPENSED, то п оток начнетраб оту только п ослевы зоваф ункции function ResumeThread (hThread: THandle): Dword; Здесь hThread – дескрип тор созданног о п отока. П риостановить п оток мож но сп омощ ью ф ункции function SuspendThread (hThread: THandle): Dword; Ч тоб ы досрочно заверш ить п оток, следуетвы звать ф ункцию SuspendThread , азатем - ф ункцию function CloseHandle(hThread: THandle): Dword; 4

П роиллю стрируем исп ользованиеAPI изп рог рамм наDelphi следую щ ей лаб ораторной раб отой. П ростой п роектб удетвы п олнять расчеттрадиционны м сп особ ом и, для сравнения, сп омощ ью доп олнительног о п отока. Лаб о рато рн ая раб о та № 1 1. Создав новы й п роект, рас п олож им наф ормекноп киснадп исями « С п отоком», « Безп отока», « П риостановить», « П родолж ить». 2. Н ап иш ем ф ункцию func исоздадим об раб отчикисоб ы тий так, чтоб ы листинг модуля п ринял вид: unit Unit1; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, StdCtrls; type TForm1 = class(TForm) Button1: TButton; Button2: TButton; Button3: TButton; Button4: TButton; procedure Button1Click(Sender: procedure Button2Click(Sender: procedure Button3Click(Sender: procedure Button4Click(Sender: private { Private declarations } public { Public declarations } end;

TObject); TObject); TObject); TObject);

var Form1: TForm1; implementation var hThread: THandle; // Дескриптор потока ThreadID: DWord; // Идентификатор потока {$R *.DFM} // Эта функция далее будет выполняться внутри потока function func (p: pointer): longint; stdcall; var i: integer; dc: hDc;//дескриптор контекста графического устройства s: string; begin dc:=GetDc(form1.handle);//Получаем контекст формы for i:=0 to 10000000 do begin s := IntToStr(i); // Выводим в цикле число, 5

// используя функцию API textout(dc,10,10,pchar(s), length(s)); end; ReleaseDC(Form1.handle,dc); //Освобождаем контекст end; procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); begin // Вызываем функцию Func в составе потока. Для этого // создаем поток и передаем в него адрес функции hThread := CreateThread(Nil,0,@Func,Nil,0,THreadID); if hThread=0 then ShowMessage('No THread'); end; procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject); begin SuspendThread(hThread); // Приостанавливаем поток end; procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject); begin ResumeThread(hThread); // Продолжаем поток end; procedure TForm1.Button4Click(Sender: TObject); begin Func(nil); // Вызываем функцию обычным способом end; end.

В результатевы п олнения окно п рог раммы п риметвид:

К ом м е н тар и и 1. П ринаж атиикноп ки« Создать п оток» б удутвы п олняться неодин, адва п отока: основной п оток п рилож ения об раб аты вает сооб щ ения, адресованны е г лавной ф орме, доп олнительны й – вы водит числа. Е с ли вы звать ф ункцию Func(nil) нап рямую (п ри наж атии кноп ки « Без п отока»), то все оп ерации б удет вы п олнять основной п оток, п оэтому п рог рамма« зависнет», п окане закончится цикл. В это время окно нереагируетнасоб ы тия, неп озволяя себ я нип ереместить, 6

низакры ть. П ринаж атиикноп ки« Создать п оток» окно п рог раммы б удет вести себ я об ы чны м, « друж елю б ны м» об разом. 2. Д ля вы вода строки текста вместо « нап раш ивавш ихся» визуальны х средств Delphi исп ользовалась ф ункция API TextOut. Д ело в том, что п одавляю щ ее б ольш инство визуальны х комп онентов Delphi стаб ильно раб отаю т только внутри г лавног о п отокап рилож ения. И склю чением являю тся комп оненты для доступ ак б азам данны х иг раф ические классы , раб отаю щ иесTCanvas (сп оследниминеоб ходимо ис п ользовать б локировкихолстаLock иUnLock [4]). Е слиж е б ез комп онентов Delphi внутридоп олнительны х п отоков об ойтись нельзя, то для создания таких п отоков рекомендуется исп ользовать сп ециализированны й клас с TThread, входящ ий в б иб лиотеку Delphi. 3. Класс TThread К лассTThread инкап сулирует ф ункции API п рог раммирования п отоков. Е г о основны мип реимущ ествами являю тся удоб ство исп ользования, свойственное всем клас сам-надстройкам, и наличие сп ециальног о методаSynchronize для корректног о исп ользования внутрип отоков визуальны х комп онентов VCL Delphi. С во йства и м ето ды класса TThread constructor Create Создаетп оток. Е слиарг ументимеетзначениеFalse, (CreateSuspensed: с озданны й п оток немедленно начинаетвы п олнение Boolean); (уп равлениеп ередается методу Execute) . Е слиTrue – п оток ож идаетвы зоваметодаResume destructor DeЗаверш аетп оток иосвоб ож даетвсерес урсы , им заstroy: override; няты е. В ы зы ваетс я автоматическип ризаверш ении методаExecute procedure Resume; В озоб новляетп оток п ослеп риостановки procedure Suspend; П риостанавливаетп оток property SusП ризап исиTrue/False п риостанавливаpended: Boolean; ет/возоб новляетп оток. П ричтениип оказы вает, не п риостановлен лип оток procedure TermiУс танавливаетсвойство Terminated в True. П риис nate; п ользованииэтог о методадля заверш ения п отока метод Execute долж ен вклю чать в с еб я п роверку с войстваTerminated (см. лаб . раб . № 2). property TermiП оказы ваетTrue, еслиранееб ы л вы зван метод Ternated: Boolean; minate. function WaitFor: П риостанавливаеттекущ ий п оток до заверш ения integer; заданног о п отокаивозвращ аеткод заверш ения. Н ап ример, внутрип отокаT1 вы зов code:=T2.WaitFor п риостанавливаетT1 до заверш ения T2 property Handle: Д ескрип тор п отока THandle; 7

property ThreadID: THandle; property Priority: TThreadPriority; procedure Synchronize (Method: TThreadMethod); procedure Execute; virtual; abstract; property ReturnValue: integer; property OnTerminate: TNotifyEvent;

И дентиф икатор п отока П риоритетп отока М етод исп ользуется для об ращ ения к комп онентам VCL внутрип отока. У казанны й в качествеарг ументаметод, содерж ащ ий вы зовы VCL, вклю чаетс яв г лавны й п оток п рилож ения. Главны й метод класса. О б язательно п ереоп ределяется, п ослечег о долж ен содерж ать код п отока К од заверш ения п отока. П о умолчанию – ноль. Д руг иезначения мог утб ы ть п рисвоены внутрип отокап о усмотрению п рог раммиста Соб ы тие, п роисходящ ееп ослезаверш ения метода Execute, но п еред Destroy

Прим е чан и я 1. Н еоб ходимы ми являю тся только методы Create и Execute. П оследний метод является аб страктны м. П оэтому нельзя создать экземп ляр TThread, необ ходимо п редварительно об язательно создать п отомкаклассаTThread ип ерекры ть в нем метод Execute, доб авив в нег о необ ходимую ф ункциональнос ть. 2. П риоритетп отока мож етп ринимать с ледую щ иезначения: tpIdle tpLowest tpLower tpNormal tpHigher tpHighest tpTimeCritical

П оток п олучаетквантвременитолько тог да, ког дасистеманаходится в состояниип ростоя П риоритетнадвап унктаниж енормальног о П риоритетнаодин п унктаниж енормальног о Н ормальны й п риоритет Н аодин п унктвы ш енормы Н адвап унктавы ш енормы М аксимальны й п риоритет

П риоритеты tpHighest иtpTimeCritical следуетназначать состорож ностью , чтоб ы ненаруш ить раб оту п рилож ения. Лаб о рато рн ая раб о та № 2 Раб отадемонстрируетметодику создания изаверш ения п отокаc п омощ ью методов классаTThread. О рг анизуйтенаф ормедвекноп ки иодну строку редактирования, зап иш ите об ъ явление классаTSimpleThread ип ереоп ределите ег о метод Execute, как это 8

п оказано налистинг е. В ф ормеоп ределитеметод OutMessage. В неш ний видраб отаю щ ег о п рилож ения п оказан нарисунке. unit ThrdUnit; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, ComCtrls, StdCtrls, ExtCtrls; type TForm1 = class(TForm) Edit1: TEdit; Button1: TButton; Button2: TButton; procedure Button1Click(Sender: TObject); procedure Button2Click(Sender: TObject); private { Private declarations } public { Public declarations } end; var Form1: TForm1; implementation {$R *.DFM} type // Объявление класса потока-потомка TSimpleThread = class(TThread) procedure Execute; override; public // Здесь удобно добавить любые поля и методы, //которые будут использоваться локально, внутри потока Count: Integer; // счетчик цикла procedure OutMessage; end; procedure TSimpleThread.Execute; begin // Содержание потока while not Terminated do begin//Поток будет выполняться, // пока не будет нажата кнопка Button2 Count := Count+1; Synchronize(OutMessage); // Безопасный вывод end; end; procedure TSimpleThread.OutMessage; begin Form1.Edit1.Text:=IntToStr(count); // Обращение к VCL end; var Thread1: TSimpleThread; // Экземпляр класса «поток» procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); 9

begin Thread1:=TSimpleThread.Create(False);//Создание потока Thread1.Priority := tpLowest; // Приоритет Thread1.Count := 0; // Начальное значение счетчика end; procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject); begin Thread1.Terminate; // Завершаем бесконечный поток end; end.

Результатвы п олнения п рог раммы :

Ко м м ен тарии 1. А рг ументом методаSynchronize является имя м ет ода (н о н е пр оцеду р ы!), которы й об ращ ается к об ъ ектам VCL. П оследний метод долж ен б ы ть оф ормлен в видеп роцедуры б езарг ументов. Н ап ример, вы ш едля вы водав строку редактирования Edit1 б ы л оп ределен метод п отока procedure TSimpleThread.OutMessage; begin Form1.Edit1.Text := IntToStr(count); end;

авнутриметодаExecute п отокап роисходил вы зов Synchronize(OutMessage);

М етод Synchronize здесь необ ходим, чтоб ы во время зап ис ив об ъ ектEdit1 заб локировать г лавны й п оток п рилож ения: раб отаю щ ий г лавны й п оток п озволяет комп онентам, рас п олож енны м в окне, об мениватьс я сооб щ ениями; п риэтом мож етнас туп ить с итуация г онок, нап ример, одновременноеп рисваивание Form1.Edit1.Text := IntToStr(count);

10

иредактирование Edit1 друг им п отоком или п ользователем, что в данном п ростом п римеренеимеет особ ог о значения, но в п ринцип ен едопу ст и м о. Ч тоб ы лучш еп онять п роисходящ ее, изменитеметод, доб авив задерж ку на1 секунду: procedure TSimpleThread.OutMessage; begin Sleep(1000); Form1.Edit1.Text := IntToStr(count); end;

П ос ле зап ускап рог раммы об наруж ится, что в течение одной секунды меж ду п риращ ениямисчетчиканевозмож но ниотредактировать строку, нип ереместить окно: метод OutMessage вы п олняется в г лавном п отоке иб локирует ег о остальны едействия, как это б ы ло в лаб . раб оте1 п ринаж атиикноп ки« Безп отока». (В ременная задерж ка1 сек. нуж налиш ь, чтоб ы визуально заметить данны й эф ф ект). О чевидно, метод OutMessage нерекомендуетс я загромож дать вы числениями, так как это сильно замедлитраб оту г лавног о п отока. 2. Ч тоб ы создать п оток, удоб но вос п ользоваться имею щ имся в Delphi ш аб лоном: вы б рать п унктменю File | New | Thread Object иввестиимя классап отока-п отомкаTThread, нап ример, TFirstThread. П ослеэтог о п оявится автоматическисгенерированны й модуль соб ъ явлением классаTFirstThread, которы й следует долж ны м об разом видоизменить ип одклю чить к вы зы ваю щ ему модулю об ы чной п ользовадирективой uses. У пр а ж н ен и е: п еределайте лаб ораторную раб оту сис нием ш аб лонов. Лаб о рато рн ая раб о та № 3 (сам о сто ятельн ая) Д ораб отайте п реды дущ ий п роект, сделав дванезависимы х аналог ичны х п отокаThread1, Thread2, вы водящ их результаты в отдельны е строкиредактирования. Здесь мож но оп исать двакласса, но п оскольку двап отокаидентичны , аTSimpleThread. мож но ог раничиться созданием двух экземп ляров одног о класс Д ля ступ енчатой рег улировкип риоритетов ис п ользуйте двакомп онентаTTrackBar (см. рисунок). П роект долж ен п оказы вать изменение скоростираб оты в зависимостиотустановленног о п риоритета. О б разцы реш ения задачи с м. в [4,5].

11

4. С ин хро н изация п о то ко в К ак уж е уп оминалось, п ри доступ е п отоков к об щ им ресурсам (г лоб альны м данны м, одному итому ж е ф айлу, DLL, коммуникационному п орту ит.п .) возникаю т коллизии. П редотвратить коллизии мож но с п омощ ью различны х средств синхронизации. Ч ащ е вс ег о для этой цели ис п ользую тся: кр и т и чески е секци и , и склю ча ю щи е сем а ф ор ы (м ью т ексы), обычн ые сем а ф ор ы, событ и я. В с е уп омянуты емеханизмы основаны наб локировкедоступ ак ресурсу, п окаэтотресурсзаняткаким-либ о п отоком. Рассмотрим б олее п одроб но механизм критической секции, ог раничивш ись ег о реализацией наб азеф ункций API Win32 (как об ы чно, в Delphi имею тся аналог ичны е классы -надстройки). У часток кода, содерж ащ ий п отенциально оп асны е об ращ ения к ресурсу, п омечается как « критическая с екция». П еред входом в критическую с екцию п роверяется г лоб альная зап ись тип аTRTLCriticalSection (с труктуру зап исисм. в ф айле ..\borland\delphi4\source\rtl\win\windows.pas), в которой отмечено, вы п олняется ликритическая секция в данны й моментвремени каким-либ о друг им п отоком. Е слисекция незанята, п оток доп ускается к раб оте. В началекритической секциинеоб ходимо вы звать п одп рог рамму API procedure EnterCriticalSection (sect:TRTLCriticalSection);

которая п роверяетсостояниезап исиsect: TRTLCriticalSection и, еслив зап исисекция п омеченакак занятая друг им п отоком, п риостанавливаеттекущ ий п оток, п окакритическая секция неос воб одится. В концекритичес кой секциивы зы вается п одп рог рамма procedure LeaveCriticalSection (sect:TRTLCriticalSection);

которая делаетп ометку в зап иси, что критичес кая секция своб одна, идруг ой п оток в соответствиисп риоритетом п олучаетквантвремениивходитв критическую секцию . П редварительно п еред ис п ользованием необ ходимо п роинициализировать зап ись sect: TRTLCriticalSection сп омощ ью п роцедуры procedure InitializeCriticalSection(Sect); ап ризаверш енииисп ользования – удалить: procedure DeleteCriticalSection(Sect1); В рассматриваемом ниж еп римереп ервая оп ерация вы п олняется в об раб отчикес об ы тия создания ф ормы OnCreate, авторая – в об раб отчикесоб ы тия удаления ф ормы изп амятиOnDestroy. 12

Лаб о рато рн ая раб о та № 4. Синхронизация доступ ак г лоб альной п еременной сп омощ ью критической секции Рассмотрим п ример, ког дадвап отокаоб ращ аю тся к одной итой ж е г лоб альной п еременной GlobalData, увеличиваю тисразу уменьш аю теезначение GlobalData := GlobalData+3; GlobalData := GlobalData-3;

арезультаты вы водят в соответствую щ ие комп оненты TMemo. Д ля созданиеп рог раммы вы п олнитес ледую щ ее. 1. Разместитенаф ормедвакомп онентаMemo1 иMemo2, двеметкиснадп исями « П ервы й п оток:» и « В торой п оток:», кноп ку Button1 « В ы п олнить», вы клю чатель cbSect: TCheckBox сп одп исью « И сп ользовать критическую секцию ». Ч тоб ы мож но б ы ло сравнивать результаты , п олученны е сисп ользованием синхронизациииб езсинхронизации, в об раб отчикесоб ы тия OnClick для вы клю чателя зап иш ите CritSect := cbSect.Checked;

2. И нициализацию и удаление критичес кой секции зап иш ите, с оответственно, в об раб отчиках соб ы тий OnCreate иOnDestroy для ф ормы . 3. Т ак об ап отокаидентичны , нерационально создавать дваотдельны х класса. П оэтому оп иш итеодин классTMyThread, п ереоп ределитеег о методы и создайтедваэкземп ляраэтог о класса, как п оказано налистинг е. unit ThrdUnit; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, ComCtrls, StdCtrls, ExtCtrls; type TForm1 = class(TForm) Button1: TButton; cbSect: TCheckBox; Label1: TLabel; Label2: TLabel; Memo1: TMemo; Memo2: TMemo; procedure Button1Click(Sender: TObject); procedure FormCreate(Sender: TObject); procedure FormDestroy(Sender: TObject); procedure cbSectClick(Sender: TObject); private { Private declarations } public { Public declarations } end; 13

var Form1: TForm1; type TMyThread = class(TThread) private { Private declarations } mem: TMemo; // В переменную mem при вызове конструктора потока будет // передаваться конкретный экземпляр TMemo protected constructor Create (M: TMemo);// Переопределение procedure Execute; override; procedure OutMessage; end; implementation {$R *.DFM} var CritSect: boolean; // Флаг «включать-не включать» Sect1: TRTLCriticalSection; //Критическая секция GlobalData: integer; // Глобальная переменная constructor TMyThread.Create(m: TMemo); begin //Переопределяем конструктор Inherited Create(False);//Вызываем унаследованный Mem := m; // Передаем, куда записывать числа end; procedure TMyThread.OutMessage; begin // Добавление строки в редактор Mem.Lines.add(IntToStr(GlobalData)); end; procedure TMyThread.Execute; var j: integer; begin for j:=1 to 50 do begin // Если механизм критической секции используется if (CritSect) then EnterCriticalSection(Sect1); // Вход в критическую секцию // Изменение глобальной переменной GlobalData := GlobalData+3; Sleep(3); // Задержка на 3 мс для увеличения // вероятности рассинхронизации GlobalData := GlobalData-3; Synchronize(OutMessage); // Выход из критической секции if (CritSect) then LeaveCriticalSection(Sect1); end; end;

14

var Thread1, Thread2: TMyThread; //Экземпляры потоков procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject); begin GlobalData := 100; Memo1.Lines.Clear; Memo2.Lines.Clear; Thread1 := TMyThread.Create(Memo1);// Старт потока 1 Thread2 := TMyThread.Create(Memo2);// Старт потока 2 end; procedure TForm1.FormCreate(Sender: TObject); begin InitializeCriticalSection(Sect1); CritSect := false; end; procedure TForm1.FormDestroy(Sender: TObject); begin DeleteCriticalSection(Sect1); end; procedure TForm1.cbSectClick(Sender: TObject); begin CritSect := cbSect.Checked; end; end.

О чевидны й, казалось б ы , результат раб оты п отоков (GlobalData=100) искаж ается коллизией « г онок». О кно п рог раммы б езисп ользования синхронизации имеетвид:

И сп ользованиекритичес кой секцииреш аетп роб лему: 15

В заклю чениекратко охарактеризуем некоторы едруг иеметоды синхронизации. Семаф оры рег улирую тчисло п отоков, которы емог утисп ользовать ресурс. И склю ча ю щи й сем а ф ор (mutex, м ью т екс) доп ускаетк ресурс у только один п оток, обычн ые сем а ф ор ы доп ускаю т конечное число п отоков. Семаф оры имью тексы во мног ом п охож инакритическиесекции, методикаих исп ользования п рактическип олностью совп адаетсметодикой, рассмотренной вы ш е. П реимущ еством п о сравнению скритическимисекциямиявляется, п реж де всег о, г лоб альность действия, т.е. сп ос об ность б локировать п отоки, зап ущ енны е всемиактивны мип рилож ениями. К рометог о, п риоб ращ ениик семаф орам имью тексам мож но указы вать максимальное время ож идания доступ ак ресурсу, что п озволяет п редотвращ ать ситуацию « туп иков». М ьюте кс создается ф ункцией function CreateMutex( Attr: Pointer; // flag: Boolean; // lpName: PChar // ): THandle; //

указатель на атрибуты безопасности флаг создания указатель на имя мьютекса дескриптор мьютекса

Стандартны й вариантс оздания: hMutex := CreateMutex(Nil, False, Nil);

М ью тексы мог утнаходиться в сиг нальном (еслиим невладеетниодин п оток, т.е. ресурссвоб оден) или несиг нальном состоянии (п оток владеет мью тексом). Ч тоб ы п оток завладел мью тексом (т.е. п олучил доступ к ресурсу), необ ходимо вы звать ф ункцию ож идания function WaitForSingleObject( hHandle: THandle; // дескриптор мьютекса dwMilliseconds: DWord // время ожидания в мс ): DWord; 16

П араметр dwMilliseconds мож етп ринимать значениеInfinite, что означает б есконечны й интервал ож идания. Ф ункция заверш ает раб оту, еслимью тексстановится сиг нальны м илиистекло время ож идания. П ос леэтог о п оток, находивш ийся в состоянииож идания мью текса, п олучаетк нему дос туп , амью текс, п олучивш ий новог о владельца, п ерестаетсиг нализировать. М ью тексмож но с равнить с« эстаф етной п алочкой», которую б ег ун (п оток) молчадерж ит, п роходя дистанцию , икричит« Д ерж и!» (сиг нализирует), заверш ив дистанцию . П ос ле тог о, как п оток вы п олнил участок кода, содерж ащ ий совместно исп ользуемы й ресурс, необ ходимо освоб одить мью тексот п отока-владельцасп омощ ью ф ункцииAPI function ReleaseMutex( hHandle: THandle; // дескриптор мьютекса ): Boolean;

П ризаверш ениираб оты мью тексудаляется изп амятисп омощ ью известной В ам ф ункцииCloseHandle, в которую п ередается дескрип тор мью текса. С е м афор с оздается ф ункцией function CreateSemaphore ( Attr: Pointer; // указатель на атрибуты безопасности InitialCount: longint; // Начальное число потоков, // допущенных к объекту MaxCount: longint; // Максимальное число допускаемых // потоков lpName: PChar // указатель на имя семафора ): THandle; // дескриптор семафора

Семаф ор сиг нализирует, еслиInitialCount б ольш енуля, инеп одаетсиг нала, еслиInitialCount равен нулю . Д ля доступ а к об ъ екту исп ользуется ф ункция ож идания WaitForSingleObject или WaitForMultipleObjects [6]. П ризаверш ении ф ункции ож идания значение с четчикаInitialCount соответственно уменьш ается ип оток п олучаетдоступ к ресурс у. П ризаверш ениидоступ ак ресурс у необ ходимо вы звать ф ункцию , увеличиваю щ ую значениесчетчикасемаф ора: function ReleaseSemaphore( hHandle: THandle; // дескриптор семафора ReleaseCount: longint // приращение счетчика LP: Pointer // как правило, nil ): Boolean;

Болееп одроб ная инф ормация п риведенав [6]. Упр аж н е н ие : П еределайте лаб ораторную раб оту № 4, заменив критическиесекцииа) мью тексами, б ) семаф орами. 17

Задан ия для сам о сто ятельн о й раб о ты 1. Создать двап отока, один изкоторы х зап олняетMemo случайны мичислами до остановки п роцесс ап ользователем, авторой осущ ествляет вы числение очередног о числаФ иб оначчип осле наж атия п ользователем кноп ки. П рип ревы ш ениидоп устимой г раницы вы числения целог о числаизменить надп ись накноп кеип ерейтик вы числению квадратног о корня. 2. Создать двап отока, один изкоторы х вы водитв Memo 200 строк, зап олняя их соответствую щ иминомеру строкичис лами, авторой вы числяет значение ф ункциив точке. В ы б ор ф ункцииреализовать сп омощ ью ComboBox, азначение арг ументавводить в редакторе. Д ля зап олнения Memo п редусмотреть индикатор п роцес са. 3. В ы числить п риб лиж енное значение оп ределенног о интег раласп омощ ью методап рямоуг ольника, методатрап еций, методаСимп сона. В ы б ор ф ункцииреализовать сп омощ ью ComboBox, аг раницы отрезказадавать в редакторе. П редусмотреть возмож ность г раф ическог о отоб раж ения. 4. В ы числить п риб лиж енное значение оп ределенног о интег раласп омощ ью методатрап еций. Разны е п отоки осущ ествляю т вы числения сразличны м ш агом. В ы б ор ф ункцииреализовать сп омощ ью ComboBox, аг раницы отрезказадавать в редакторе. П редусмотреть возмож ность г раф ичес ког о отоб раж ения. 5. Реализовать реш ение задачиК ош идля об ы кновенны х диф ф еренциальны х уравнений методами Э йлераиРунг е-К утта. П редусмотреть индикатор п роцессав видекруг овой диаграммы . 6. Реш ить нелинейноеуравнениесодним неизвестны м методамип оловинног о деления, методом хорд, методом Н ью тона. П редусмотреть возмож ность г раф ическог о отоб раж ения. 7. П ользователь задает 2 ф ункции. Реализовать п отоки для п ос троения г раф иков ф ункций п о задаваемому числу точек свозмож ностью задания п риоритетап отока. Т очкип ересечения вы делить друг им цветом. 8. Задан мас сив целы х п олож ительны х чисел. О сущ ес твить сортировку массиваметодамип узы рька, вы б оркииметодом б ы строй с ортировки. Д ля каж дог о методап редусмотреть возмож ность г раф ическог о отоб раж ения: каж дому числу массивап оставить в соответствие линию п роп орциональной длины ; п ри сортировкелиниитакж еменяю тся местами. 9. Задается ф ункция. В нескольких окнах п остроить г раф икиф ункциип о задаваемому числу точек свозмож ностью задания п риоритетап отока. 10. О п исать движ ение ш арикав п рямоуг ольной об ластисотраж ением от г раниц п од случайны м уг лом. П редусмотреть возмож ность зап усканескольких ш ариков. 11. Реализовать алг оритм нахож дения кратчайш ег о п ути в г раф е. Создавать п отокип ривы ходеизрас сматриваемой верш ины нескольких дуг . 12. Заш иф ровать текст п о ф ормуле yi=xi+ki mod n, атакж е методом п ерестановкисзаданием двух клю чей. 13. П риб лизительно вы числить значениеинтег рала

18

0 ,976

0 ,146 t ∫ [ 1 /( 1 + t ) + ( 1 + t ) − e − cos( t )] dt

− 0 ,82

как сумму соответствую щ их с теп енны х рядов, задавая ог раничения навеличину n членарядадля каж дог о п отокаотдельно. 14. И зоб разить наф орме несколько ф иг ур, вращ аю щ ихся сразличны ми скоростями. 15. Рассчитать сиг налы навы ходе авторег рессионны х моделей различны х п орядков, изоб раж ая г раф икинаразличны х PaintBox. 16. Рассчитать реакцииФ Н Ч Баттервортаn-г о п орядканаб елы й ш ум. Литература 1. К астер Х . О сновы Windows NT иNTFS. – М .: И здательский отдел « Русская редакция» Т О О « Channel Trading Ltd», 1996. – 440 с. 2. К инг А . Windows 95 изнутри. – СП б : П итер, 1995. – 512 с. 3. К алвертЧ . Delphi 4. Самоучитель. – К .: И зд-во « Д иас оф т»,1999. – 192с. 4. Д арахвелидзеП .Г., М арков Е .П . Delphi 4. – СП б .: БХ В -Санкт-П етерб ург , 1999. – 816 с. 5. А лександровский А .Д . Delphi 5.0. Разраб откакорп оративны х п рилож ений. – М .: Д М К , 2000. – 512 с. 6. Бартеньев О .В . Visual Fortran: новы евозмож ности. - М .: « Д иалог – М И Ф И », 1999. - 304 с. 7. В ведениев Delphi / Сос т. :Рудалев В .Г., К ремер А .И .; В оронеж . г ос . ун-т. - В оронеж , 2000. – 36 с.

Составители: Рудалев В алерий Геннадьевич, К ры ж ановс кая Ю лианаА лександровна Редактор Т ихомироваО .А .

19