Высокими приоритетами потоков и высокими классами приоритета процессов необходимо пользоваться с осторожностью. Следует решительно избегать использования приоритетов реального времени для обычных пользовательских процессов; эти приоритеты должны использоваться лишь в тех случаях, когда приложения действительно являются приложениями реального времени. Нарушение этого правила чревато тем, что пользовательские потоки будут тормозить выполнение потоков операционной системы.
Кроме того, приводимые в последующих главах высказывания относительно корректности многопоточных программ справедливы лишь при условии соблюдения принципа равноправия (fairness) потоков. Равноправие потоков означает, что все они, в конечном счете, будут выполняться. Если не соблюдать этот принцип, то потоки с более низким приоритетом смогут удерживать ресурсы, необходимые потокам, имеющим более высокий приоритет. При описании недостатков планирования, осуществляемого с нарушением принципа равноправия, используют термины зависание потоков (thread starvation) и инверсия приоритетов (priority inversion).
Состояния потоков
На рис. 7.4, взятом из [9] (см. также [38], версию, обновленную Соломоном (Solomon) и Руссиновичем (Russinovych)), представлена схема планирования потоков и показаны их возможные состояния. Кроме того, этот рисунок иллюстрирует результаты работы программы. Такие диаграммы состояния являются общими для всех многозадачных ОС и помогают выяснить, каким образом планируется выполнение потоков и как они переходят из одного состояния в другое.
Рис. 7.4. Состояния потоков и переходы между состояниями (Источник: Inside Windows NT, Copyright © 1993, by Helen Custer. Copyright Microsoft Press. Воспроизводится с разрешения Microsoft Press. Все права сохранены.)
Ниже приводится краткая сводка основных положений. Для получения более подробной информации по этому вопросу обратитесь в [38] или к руководству по ОС.
• Поток находится в состоянии выполнения (running state), если она фактически выполняется процессором. В SMP-системах в состоянии выполнения могут находиться одновременно несколько потоков.
• Планировщик переводит поток в состояние ожидания (wait state), если он выполняет функцию ожидания несигнализирующих объектов, например, потоков или процессов, или перехода в сигнальное состояние объектов синхронизации, о чем говорится в главе 8. Операции ввода/вывода также будут ожидать завершения передачи дисковых или иных данных, но ожидание может быть вызвано и другими многочисленными функциями. О потоках, находящихся в состоянии ожидания, нередко говорят как о блокированных (blocked) или спящих (sleeping).
• Поток находится в состоянии готовности (ready state), если она может выполняться. Планировщик в любой момент может перевести такой поток в состояние выполнения. Когда процессор станет доступным, планировщик запустит тот из потоков, находящихся в состоянии готовности, который обладает наивысшим приоритетом, а при наличии нескольких потоков с одинаковым высшим приоритетом запущен будет та, который пребывал в состоянии готовности дольше всех. При этом поток проходит через состояние простоя (standby state), или резервное состояние.
• Обычно, в соответствии с приведенным описанием, планировщик помещает поток, находящийся в состоянии готовности, на любой доступный процессор. Программист может указать маску родства процессоров (processor affinity mask) для потока (см. главу 9), предоставляя потоку процессоры, на которых он может выполняться. Используя этот способ, программист может распределять процессоры между потоками. Соответствующими функциями являются SetProcessorAffinityMask и GetProcessorAffinityMask. Функция SetThreadIdealProcessor позволяет указать предпочтительный процессор, подлежащий использованию планировщиком при первой же возможности.
• После истечения кванта времени, отведенного выполняющемуся потоку, планировщик без ожидания переводит его в состояние готовности. В результате выполнения функции Sleep(0) поток также будет переведен из состояния выполнения в состояние готовности.
• Планировщик переводит ожидающий поток в состояние готовности сразу же, как только соответствующие дескрипторы оказываются в сигнальном состоянии, хотя при этом поток фактически проходит через промежуточное переходное состояние (transition state). В подобных случаях принято говорить о том, что поток пробуждается (wakes).
• Не существует способа, позволяющего программе определить состояние другого потока (разумеется, если поток выполняется, то он находится в состоянии выполнения, и поэтому ему нет никакого смысла определять свое состояние). Даже если бы такой способ и существовал, то состояние потока может измениться еще до того, как опрашивающий поток успеет предпринять какие-либо действия в ответ на полученную информацию.
• Поток, независимо от его состояния, может быть приостановлен (suspended), и приостановленный поток не будет запущен, даже если он находится в состоянии готовности. В случае приостановки выполняющегося потока, независимо от того, по собственной ли инициативе или по инициативе потока, выполняющегося на другом процессоре, он переводится в состояние готовности.
• Поток переходит в состояние завершения (terminated state) тогда, когда его выполнение завершается, и остается в этом состоянии до тех пор, пока остается открытым хотя бы один из ее дескрипторов. Это позволяет другим потокам запрашивать состояние данного потока и его код завершения.
