Последняя статья про классические примитивы синхронизации.

(Наверное, потом напишу ещё одну про совсем уже нетипичную задачу, но это потом.)

Сегодня мы немножко заглянем в процессор. Чуть-чуть.

По сути, мы будем говорить про единственный примитив, который принципиально отличается от остальных: спинлок. Spinlock.

В комментариях к предыдущим заметкам возникла дискуссия — насколько справедливо вообще выделять спинлок как примитив, ведь по сути он — просто мьютекс, верно? Он выполняет ту же функцию — запрещает одновременное исполнение фрагмента кода несколькими параллельными нитями.

На уровне процесса всё так и есть — различия между спинлоком и мьютексом — чисто технические, вопрос реализации и производительности.

Но меня эта тема интересует не только с позиции программиста юзерленда, но и с позиции разработчика ядра, а так же и разработчика самих примитивов синхронизации. И тут уже различие принципиально.

Дело в том, что внутри ядра мьютекс реализован с помощью спинлоков, а вот спинлоки реализованы сами по себе, автономно. Они — действительно базовый примитив. Ниже — только сам процессор.

Есть и ещё одно, семантическое различие. Мьютекс допускает и предполагает снятие нити с процессора, долгую остановку вызывающей нити. Мьютексом можно запереть объект на час или сутки, это приемлемо и нормально. Спинлок принципиально рассчитан только на кратчайшие приостановки, это всегда работа с неатомарным стейтом объекта. Присваивание группы переменных, небольшой цикл — это максимум того, что можно сделать под спинлоком.

Итак, иерархия реализации такова: mutex/cond/sema сделаны на базе спинлоков, спинлоки — на базе атомарных операций, предоставляемых процессором. Мы в них немного заглянем сегодня.

Как устроен спинлок?

В прошлой заметке мы обсудили самую известную пару из лагеря инструментов синхронизации тредов — mutex и cond. Сегодня встретимся с sema — примитивом, который умеет заменять предыдущие два в одиночку.

Но сначала — пара слов о случайных пробуждениях. (Спасибо xaizek, который мне об этом напомнил.) В принципе, строго реализованные механизмы синхронизации этим не страдают, но, тем не менее, опытный программист на это никогда не полагается.

Напомню фрагмент кода:

while(total_free_mem <= 0)
    {
    wait_cond(&got_free_mem, &allocator_mutex);
    }

Здесь цикл вокруг wait_cond гарантирует нам, что даже если мы вернёмся из ожидания события случайно или по ошибке, ничего страшного не случится — проверка в while обеспечит нам уверенность, что нужное состояние проверяемого объекта достигнуто. Если нет — поспим ещё в ожидании.

Отметим ещё раз, что проверяем мы состояние объекта (total_free_mem <= 0) при запертом мьютексе, то есть никто не может его менять в то же самое время.

Синхронизация нужна в любой малтитредной программе. (Если, конечно, она не состоит из локлесс алгоритмов на 100%, что вряд ли). Будь то приложение или компонента ядра современной операционной системы.

Меня всё нижесказанное, конечно, больше волнует с точки зрения разработки ядра ОС. Но почти всё применимо и к пользовательскому коду.

Кстати, ядра старых ОС в примитивах синхронизации не нуждались, поскольку преемптивной мультизадачности внутри ядра в старые добрые времена не было. (Уж за Юникс 7-й версии я отвечаю. Не было.) Точнее, единственным методом синхронизации был запрет прерываний. Но об этом позже.

Сначала перечислим героев. Мне известны следующие примитивы синхронизации:

User/kernel mode: mutex+cond, sema, enter/leave critical section.
Kernel only: spinlock, управление прерываниями.

Зачем всё это нужно, читатель, наверное, знает, но всё же уточним.

Если некоторая структура данных может быть доступна двум параллельно работающим нитям (или нити и прерыванию), и являет собой сущность, к которой нельзя обеспечить атомарный доступ, то работу с такой структурой нужно производить так, чтобы только одна нить одновременно выполняла сложные манипуляции с состоянием структуры.

Как-то знакомый преподаватель английского языка рассказал, что вчера был на вечеринке и услышал анекдот:

— Ложась спать программист ставит рядом на столик 2 стакана.
— Один с водой — если захочет пить, второй пустой — если не захочет.

Смеялись только программисты, а остальные и он, в том числе, анекдот не поняли. Пришлось сильно постараться, чтобы объяснить гуманитарию, что в этом анекдоте смешного.

Программист – относительно новая профессия. Зародилась она по времени где-то между физиком-ядерщиком и космонавтом. Многие «лирики» и даже некоторые «физики» и «космонавты» нас не понимают. И среди этих людей часто находятся наши коллеги, менеджеры, сотрудники коммерческих департаментов, отделов кадров, владельцы бизнеса, заказчики и др. Этот пост для них. Ну и немного для себя (типа, ретроспектива самоанализ).

Disclaimer. Сейчас программистов много. Хороших и разных. Я буду писать про хороших. И то, не про всех, а про большую часть из тех, с кем имел честь вместе разрабатывать ПО.