Критические секции

Критические секции

Павел Блудов

Введение

Критические секции -- это объекты, используемые для блокировки доступа всех нитей (threads) приложения, кроме одной, к некоторым важным данным в один момент времени. Например, имеется переменная m_pObject и несколько нитей, вызывающих методы объекта, на который ссылается m_pObject, причем эта переменная может изменять свое значение время от времени. Иногда там даже оказывается нуль. Предположим, имеется вот такой код:

// Нить №1

void Proc1()

{

    if (m_pObject)

        m_pObject->SomeMethod();

}



// Нить №2

void Proc2(IObject *pNewObject)

{

    if (m_pObject)

        delete m_pObject;

    m_pObject = pNewobject;

}

Тут мы имеем потенциальную опасность вызова m_pObject->SomeMethod() после того, как объект был уничтожен при помощи delete m_pObject. Дело в том, что в системах с вытесняющей многозадачностью выполнение любой нити процесса может прерваться в самый неподходящий для нее момент времени, и начнет выполняться совершенно другая нить. В данном примере неподходящим моментом будет тот, в котором нить №1 уже проверила m_pObject, но еще не успела вызвать SomeMethod(). Выполнение нити №1 прервалось, и начала исполняться нить №2. Причем нить №2 успела вызвать деструктор объекта. Что же произойдет, когда нить №1 получит немного процессорного времени и вызовет-таки SomeMethod() у уже несуществующего объекта? Наверняка что-то ужасное.

Именно тут приходят на помощь критические секции. Перепишем наш пример.

// Нить №1

void Proc1()

{

    ::EnterCriticalSection(&m_lockObject);

    if (m_pObject)

        m_pObject->SomeMethod();

    ::LeaveCriticalSection(&m_lockObject);

}



// Нить №2

void Proc2(IObject *pNewObject)

{

    ::EnterCriticalSection(&m_lockObject);

    if (m_pObject)

        delete m_pObject;

    m_pObject = pNewobject;

    ::LeaveCriticalSection(&m_lockObject);

}

Код, помещенный между ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection() с одной и той же критической секцией в качестве параметра, никогда не будет выполняться параллельно. Это означает, что если нить №1 успела "захватить" критическую секцию m_lockObject, то при попытке нити №2 заполучить эту же критическую секцию в свое единоличное пользование, ее выполнение будет приостановлено до тех пор, пока нить №1 не "отпустит" m_lockObject при помощи вызова ::LeaveCriticalSection(). И наоборот, если нить №2 успела раньше нити №1, то та "подождет", прежде чем начнет работу с m_pObject.

Работа с критическими секциями

Что же происходит внутри критических секций и как они устроены? Прежде всего, следует отметить, что критические секции – это не объекты ядра операционной системы. Практически вся работа с критическими секциями происходит в создавшем их процессе. Из этого следует, что критические секции могут быть использованы только для синхронизации в пределах одного процесса. Теперь рассмотрим критические секции поближе.

Структура RTL_CRITICAL_SECTION

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {

    PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo; // Используется операционной системой

    LONG LockCount;        // Счетчик использования этой критической секции

    LONG RecursionCount;    // Счетчик повторного захвата из нити-владельца

    HANDLE OwningThread;    // Уникальный ID нити-владельца

    HANDLE LockSemaphore;    // Объект ядра используемый для ожидания

    ULONG_PTR SpinCount;    // Количество холостых циклов перед вызовом ядра

} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

Поле LockCount увеличивается на единицу при каждом вызове ::EnterCriticalSection() и уменьшается при каждом вызове ::LeaveCriticalSection(). Это первая (а часто и единственная проверка) на пути к "захвату" критической секции. Если после увеличения в этом поле находится ноль, это означает, что до этого момента непарных вызовов ::EnterCriticalSection() из других ниток не было. В этом случае можно забрать данные, охраняемые этой критической секцией в монопольное пользование. Таким образом, если критическая секция интенсивно используется не более чем одной нитью, ::EnterCriticalSection() практически вырождается в ++LockCount, а ::LeaveCriticalSection() в --LockCount. Это очень важно. Это означает, что использование многих тысяч критических секций в одном процессе не повлечет значительного расхода ни системных ресурсов, ни процессорного времени.

СОВЕТ

Не стоит экономить на критических секциях. Много cэкономить все равно не получится.

В поле RecursionCount хранится количество повторных вызовов ::EnterCriticalSection() из одной и той же нити. Действительно, если вызвать ::EnterCriticalSection() из одной и той же нити несколько раз, все вызовы будут успешны. Т.е. вот такой код не остановится навечно во втором вызове ::EnterCriticalSection(), а отработает до конца.

// Нить №1

void Proc1()

{

    ::EnterCriticalSection(&m_lock);

    //. ..

    Proc2()

    //. ..

    ::LeaveCriticalSection(&m_lock);

}



// Все еще нить №1

void Proc2()

{

    ::EnterCriticalSection(&m_lock);

    //. ..

    ::LeaveCriticalSection(&m_lock);

}

Действительно, критические секции предназначены для защиты данных от доступа из нескольких ниток. Многократное использование одной и той же критической секции из одной нити не приведет к ошибке. Это вполне нормальное явление. Следите, чтобы количество вызовов ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection() совпадало, и все будет хорошо.

Поле OwningThread содержит 0 для никем не занятых критических секций или уникальный идентификатор нити-владельца. Это поле проверяется, если при вызове ::EnterCriticalSection() поле LockCount после увеличения на единицу оказалось больше нуля. Если OwningThread совпадает с уникальным идентификатором текущей нити, то RecursionCount просто увеличивается на единицу и ::EnterCriticalSection() возвращается немедленно. Иначе ::EnterCriticalSection() будет дожидаться, пока нить, владеющая критической секцией, не вызовет ::LeaveCriticalSection() необходимое количество раз.

Поле LockSemaphore используется, если нужно подождать, пока критическая секция освободится. Если LockCount больше нуля, и OwningThread не совпадает с уникальным идентификатором текущей нити, то ждущая нить создает объект ядра (событие) и вызывает ::WaitForSingleObject(LockSemaphore). Нить-владелец, после уменьшения RecursionCount, проверяет его, и если значение этого поля равно нулю, а LockCount больше нуля, то это значит, что есть как минимум одна нить, ожидающая, пока LockSemaphore не окажется в состоянии "случилось!". Для этого нить-владелец вызывает ::SetEvent(), и какая-то одна (только одна) из ожидающих ниток пробуждается и получает доступ к критическим данным.

WindowsNT/2k генерирует исключение, если попытка создать событие не увенчалась успехом. Это верно как для функций ::Enter/LeaveCriticalSection(), так и для ::InitializeCriticalSectionAndSpinCount() с установленным старшим битом параметра SpinCount. Но только не в WindowsXP. Разработчики ядра этой операционной системы поступили по-другому. Вместо генерации исключения, функции ::Enter/LeaveCriticalSection(), если не могут создать собственное событие, начинают использовать заранее созданный глобальный объект. Один на всех. Таким образом, в случае катастрофической нехватки системных ресурсов, программа под управлением WindowsXP ковыляет какое-то время дальше. Действительно, писать программы, способные продолжать работать после того, как ::EnterCriticalSection() сгенерировала исключение, чрезвычайно сложно. Как правило, если программистом и предусмотрен такой поворот событий, то дальше вывода сообщения об ошибке и аварийного завершения программы дело не идет. Как следствие, WindowsXP игнорирует старший бит поля LockCount.

И, наконец, поле SpinCount. Это поле используется только многопроцессорными системами. В однопроцессорных системах, если критическая секция занята другой нитью, можно только переключить управление на нее и подождать наступления события. В многопроцессорных системах есть альтернатива: прогнать некоторое количество раз холостой цикл, проверяя каждый раз, не освободилась ли наша критическая секция. Если за SpinCount раз это не получилось, переходим к ожиданию. Это гораздо эффективнее, чем переключение на планировщик ядра и обратно. Кроме того, в WindowsNT/2k старший бит этого поля служит для индикации того, что объект ядра, хендл которого находится в поле LockSemaphore, должен быть создан заранее. Если системных ресурсов для этого недостаточно, система сгенерирует исключение, и программа может "урезать" свою функциональность. Или совсем завершить работу.

ПРИМЕЧАНИЕ

Все это верно для Windows NT/2k/XP. В Windows 9x/Me используется только поле LockCount. Там находится указатель на объект ядра, возможно, просто взаимоисключение (mutex). Все остальные поля равны нулю.

API для работы с критическими секциями

BOOL InitializeCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

BOOL InitializeCriticalSectionAndSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwSpinCount);

Заполняют поля структуры, адресуемой lpCriticalSection. После вызова любой из этих функций критическая секция готова к работе.

Листинг 1. Псевдокод RtlInitializeCriticalSection из ntdll.dll

VOID RtlInitializeCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)

{

  RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount(pcs, 0)

}

VOID RtlInitializeCriticalSectionAndSpinCount(

  LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs, DWORD dwSpinCount)

{

  pcs->DebugInfo = NULL;

  pcs->LockCount = -1;

  pcs->RecursionCount = 0;

  pcs->OwningThread = 0;

  pcs->LockSemaphore = NULL;

  pcs->SpinCount = dwSpinCount;

  if (0x80000000 & dwSpinCount)

    _CriticalSectionGetEvent(pcs);

}

DWORD SetCriticalSectionSpinCount(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection, DWORD dwSpinCount);

Устанавливает значение поля SpinCount и возвращает его предыдущее значение. Напоминаю, что старший бит отвечает за "привязку" события, используемого для ожидания доступа к данной критической секции. 

Листинг 2. Псевдокод RtlSetCriticalSectionSpinCount из ntdll.dll

DWORD RtlSetCriticalSectionSpinCount(

  LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs, DWORD dwSpinCount)

{

  DWORD dwRet = pcs->SpinCount;

  pcs->SpinCount = dwSpinCount;

  return dwRet;

}

VOID DeleteCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

Освобождает ресурсы, занимаемые критической секцией.

Листинг 3. Псевдокод RtlDeleteCriticalSection из ntdll.dll

VOID RtlDeleteCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)

{

  pcs->DebugInfo = NULL;

  pcs->LockCount = -1;

  pcs->RecursionCount = 0;

  pcs->OwningThread = 0;

  if (pcs->LockSemaphore)

  {

    ::CloseHandle(pcs->LockSemaphore);

    pcs->LockSemaphore = NULL;

  }

}

VOID EnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

BOOL TryEnterCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

Осуществляют "захват" критической секции. Если критическая секция занята другой нитью, то ::EnterCriticalSection() будет ждать, пока та освободится, а ::TryEnterCriticalSection() вернет FALSE. Отсутствует в Windows 9x/ME.

Листинг 4. Псевдокод RtlEnterCriticalSection из ntdll.dll

VOID RtlEnterCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)

{

  if (::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount))

  {

    if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())

    {

      pcs->RecursionCount++;

      return;

    }



    RtlpWaitForCriticalSection(pcs);

  }



  pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

  pcs->RecursionCount = 1;

}



BOOL RtlTryEnterCriticalSection(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)

{

  if (-1L == ::InterlockedCompareExchange(&pcs->LockCount, 0, -1))

  {

    pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

    pcs->RecursionCount = 1;

  }

  else if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())

  {

    ::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount);

    pcs->RecursionCount++;

  }

  else

    return FALSE;



  return TRUE;

}

VOID LeaveCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION lpCriticalSection);

Освобождает критическую секцию,

Листинг 5. Псевдокод RtlLeaveCriticalSection из ntdll.dll

VOID RtlLeaveCriticalSectionDbg(LPRTL_CRITICAL_SECTION pcs)

{

  if (--pcs->RecursionCount)

    ::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount);

  else if (::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount) >= 0)

    RtlpUnWaitCriticalSection(pcs);

}

Классы-обертки для критических секций

Листинг 6. Код классов CLock, CAutoLock и CScopeLock.

class CLock

{

  friend class CScopeLock;

  CRITICAL_SECTION m_CS;

public:

  void Init() { ::InitializeCriticalSection(&m_CS); }

  void Term() { ::DeleteCriticalSection(&m_CS); }



  void Lock() { ::EnterCriticalSection(&m_CS); }

  BOOL TryLock() { return ::TryEnterCriticalSection(&m_CS); }

  void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(&m_CS); }

};



class CAutoLock : public CLock

{

public:

  CAutoLock() { Init(); }

  ~CAutoLock() { Term(); }

};



class CScopeLock

{

  LPCRITICAL_SECTION m_pCS;

public:

  CScopeLock(LPCRITICAL_SECTION pCS) : m_pCS(pCS) { Lock(); }

  CScopeLock(CLock& lock) : m_pCS(&lock.m_CS) { Lock(); }

  ~CScopeLock() { Unlock(); }



  void Lock() { ::EnterCriticalSection(m_pCS); }

  void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(m_pCS); }

};

Классы CLock и CAutoLock удобно использовать для синхронизации доступа к переменным класса, а CScopeLock предназначен, в основном, для использования в процедурах. Удобно, что компилятор сам позаботится о вызове ::LeaveCriticalSection() через деструктор.

Листинг 7. Пример использования CScopeLock.

CAutoLock m_lockObject;

CObject *m_pObject;



void Proc1()

{

  CScopeLock lock(m_ lockObject); // Вызов lock.Lock();

  if (!m_pObject)

    return; // Вызов lock.Unlock();

  m_pObject->SomeMethod();



  // Вызов lock.Unlock();

}

Отладка критических секций

Весьма интересное и увлекательное занятие. Можно потратить часы и недели, но так и не найти, где именно возникает проблема. Стоит уделить этому особо пристальное внимание. Ошибки, связанные с критическими секциями, бывают двух типов: ошибки реализации и архитектурные ошибки.

Ошибки, связанные с реализацией

Это довольно легко обнаруживаемые ошибки, как правило, связанные с непарностью вызовов ::EnterCriticalSection() и ::LeaveCriticalSection(). 

Листинг 8. Пропущен вызов ::EnterCriticalSection().

// Процедура предполагает, что m_lockObject.Lock(); уже был вызван

void Pool()

{

  for (int i = 0; i < m_vectSinks.size(); i++)

  {

    m_lockObject.Unlock();

    m_vectSinks[i]->DoSomething();

    m_lockObject.Lock();

  }

}

::LeaveCriticalSection() без ::EnterCriticalSection() приведет к тому, что первый же вызов ::EnterCriticalSection() остановит выполнение нити навсегда.

Листинг 9. Пропущен вызов ::LeaveCriticalSection().

void Proc()

{

  m_lockObject.Lock();

  if (!m_pObject)

    return;

  //. ..  

  m_lockObject.Unlock();

}

В этом примере, конечно, имеет смысл воспользоваться классом типа CScopeLock.

Кроме того, случается, что ::EnterCriticalSection() вызывается без инициализации критической секции с помощью ::InitializeCriticalSection(). Особенно часто такое случается с проектами, написанными с помощью ATL. Причем в debug-версии все работает замечательно, а release-версия рушится. Это происходит из-за так называемой "минимальной" CRT (_ATL_MIN_CRT), которая не вызывает конструкторы статических объектов (Q166480, Q165076). В ATL версии 7.0 эту проблему решили.

Еще я встречал такую ошибку: программист пользовался классом типа CScopeLock, но для экономии места называл эту переменную одной буквой:

  CScopeLock l(m_lock);

и как-то раз просто пропустил имя у переменной. Получилось

  CScopeLock (m_lock);

Что это означает? Компилятор честно сделал вызов конструктора CScopeLock и тут же уничтожил этот безымянный объект, как и положено по стандарту. Т.е. сразу же после вызова метода Lock() последовал вызов Unlock(), и синхронизация перестала иметь место. Вообще, давать переменным, даже локальным, имена из одной буквы – путь быстрого наступления на всяческие грабли.

СОВЕТ

Если у вас в процедуре больше одного цикла, то вместо int i,j,k стоит все-таки использовать что-то вроде int nObject, nSection, nRow.

Архитектурные ошибки

Самая известная из них – это взаимоблокировка (deadlock), когда две нити пытаются захватить две или более критических секций, причем делают это в разном порядке.

Листинг 10. Взаимоблокировка двух ниток.

void Proc1()

// Нить №1

{

  ::EnterCriticalSection(&m_lock1);

  //. ..  

    ::EnterCriticalSection(&m_lock2);

    //. ..  

    ::LeaveCriticalSection(&m_lock2);

  //. ..  

  ::LeaveCriticalSection(&m_lock1);

}



// Нить №2

void Proc2()

{

  ::EnterCriticalSection(&m_lock2);

  //. ..  

    ::EnterCriticalSection(&m_lock1);

    //. ..  

    ::LeaveCriticalSection(&m_lock1);

  //. ..  

  ::LeaveCriticalSection(&m_lock2);

}

Проблемы могут возникнуть и при... копировании критических секций. Понятно, что вот такой код вряд ли сможет написать программист в здравом уме и памяти:

CRITICAL_SECTION sec1;

CRITICAL_SECTION sec2;

//. ..

sec1 = sec2;

Из такого присвоения трудно извлечь какую-либо пользу. А вот такой код иногда пишут:

struct SData

{

  CLock m_lock;

  DWORD m_dwSmth;

} m_data;



void Proc1(SData& data)

{

  m_data = data;

}

и все бы хорошо, если бы у структуры SData был конструктор копирования, например такой:

SData(const SData data)

{

  CScopeLock lock(data.m_lock);

  m_dwSmth = data.m_dwSmth;

}

Но нет, программист посчитал, что хватит за глаза простого копирования полей, и, в результате, переменная m_lock была просто скопирована, хотя именно в этот момент из другой нити она была "захвачена", и значение поля LockCount у нее в этот момент больше либо равно нулю. После вызова ::LeaveCriticalSection() в той нити, у исходной переменной m_lock значение поля LockCount уменьшилось на единицу. А у скопированной переменной – осталось прежним. И любой вызов ::EnterCriticalSection() в этой нити никогда не вернется. Он будет вечно ждать неизвестно чего.

Это только цветочки. С ягодками вы очень быстро столкнетесь, если попытаетесь написать что-нибудь действительно сложное. Например, ActiveX-объект в многопоточном подразделении (MTA), создаваемый из скрипта, запущенного из-под контейнера, размещенного в однопоточном подразделении (STA). Ни слова не понятно? Не беда. Сейчас я попытаюсь выразить проблему более понятным языком. Итак. Имеется объект, вызывающий методы другого объекта, причем живут они в разных нитях. Вызовы производятся синхронно. Т.е. объект №1 переключает выполнение на нить объекта №2, вызывает метод и переключается обратно на свою нить. При этом выполнение нити №1 приостановлено до тех пор, пока не отработает нить объекта №2. Теперь, положим, объект №2 вызывает метод объекта №1 из своей нити. Получается, что управление вернулось в объект №1, но из нити объекта №2. Если объект №1 вызывал метод объекта №2, захватив какую-либо критическую секцию, то при вызове метода объекта №1 тот заблокирует сам себя при повторном входе в ту же критическую секцию.

Листинг 11. Самоблокировка средствами одного объекта.

// Нить №1

void IObject1::Proc1()

{

  // Входим в критическую секцию объекта №1

  m_lockObject.Lock();

  // Вызываем метод объекта №2, происходит переключение на нить объекта №2

  m_pObject2->SomeMethod();

  // Сюда мы попадем только по возвращении из m_pObject2->SomeMethod()

  m_lockObject.Unlock();

}



// Нить №2

void IObject2::SomeMethod()

{

  // Вызываем метод объекта №1 из нити объекта №2

  m_pObject1->Proc2();

}



// Нить №2

void IObject1::Proc2()

{

  // Пытаемся войти в критическую секцию объекта №1

  m_lockObject.Lock();

  // Сюда мы не попадем никогда

  m_lockObject.Unlock();

}

Если бы в примере не было переключения нитей, все вызовы произошли бы в нити объекта №1, и никаких проблем не возникло. Сильно надуманный пример? Ничуть. Именно переключение ниток лежит в основе подразделений (apartments) COM. А из этого следует одно очень, очень неприятное правило.

СОВЕТ

Избегайте вызовов каких бы то ни было объектов при захваченных критических секциях.

Помните пример из начала статьи? Так вот, он абсолютно неприемлем в подобных случаях. Его придется переделать на что-то вроде примера, приведенного в листинге 12.

Листинг 12. Простой пример, не подверженный самоблокировке.

// Нить №1

void Proc1()

{

  m_lockObject.Lock();

  CComPtr<IObject> pObject(m_pObject); // вызов pObject->AddRef();

  m_lockObject.Unlock();



  if (pObject)

    pObject->SomeMethod();

}



// Нить №2

void Proc2(IObject *pNewObject)

{

  m_lockObject.Lock();

  m_pObject = pNewobject;

  m_lockObject.Unlock();

}

Доступ к объекту по-прежнему синхронизован, но вызов SomeMethod(); происходит вне критической секции. Победа? Почти. Осталась одна маленькая деталь. Давайте посмотрим, что происходит в Proc2():

void Proc2(IObject *pNewObject)

{

  m_lockObject.Lock();

  if (m_pObject.p)

    m_pObject.p->Release();

  m_pObject.p = pNewobject;

  if (m_pObject.p)

    m_pObject.p->AddRef();

  m_lockObject.Unlock();

}

Очевидно, что вызовы m_pObject.p->AddRef(); и m_pObject.p->Release(); происходят внутри критической секции. И если вызов метода AddRef(), как правило, безвреден, то вызов метода Release() может оказаться последним вызовом Release(), и объект самоуничтожится. В методе FinalRelease() объекта №2 может быть все что угодно, например, освобождение объектов, живущих в других подразделениях. А это опять приведет к переключению ниток и может вызвать самоблокировку объекта №1 по уже известному сценарию. Придется воспользоваться той же техникой, что и в методе Proc1():

Листинг 13

// Нить №2

void Proc2(IObject *pNewObject)

{

  CComPtr<IObject> pPrevObject;

  m_lockObject.Lock();

  pPrevObject.Attach(m_pObject.Detach());

  m_pObject = pNewobject;

  m_lockObject.Unlock();

  // pPrevObject.Release();

}

Теперь потенциально последний вызов IObject2::Release() будет осуществлен после выхода из критической секции. А присвоение нового значения по-прежнему синхронизовано с вызовом IObject2::SomeMethod() из нити №1.

Способы обнаружения ошибок

Сначала стоит обратить внимание на "официальный" способ обнаружения блокировок. Если бы кроме ::EnterCriticalSection() и ::TryEnterCtiticalSection() существовал еще и ::EnterCriticalSectionWithTimeout(), то достаточно было бы просто указать какое-нибудь резонное значение для интервала ожидания, например, 30 секунд. Если критическая секция не освободилась в течение указанного времени, то с очень большой вероятностью она не освободится никогда. Имеет смысл подключить отладчик и посмотреть, что же творится в соседних нитях. Но увы. Никаких ::EnterCriticalSectionWithTimeout() в Win32 не предусмотрено. Вместо этого есть поле CriticalSectionDefaultTimeout в структуре IMAGE_LOAD_CONFIG_DIRECTORY32, которое всегда равно нулю и, судя по всему, не используется. Зато используется ключ в реестре "HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Session Manager\CriticalSectionTimeout", который по умолчанию равен 30 суткам, и по истечению этого времени в системный лог попадает строка "RTL: Enter Critical Section Timeout (2 minutes)\nRTL: Pid.Tid XXXX.YYYY, owner tid ZZZZ\nRTL: Re-Waiting\n". К тому же это верно только для систем WindowsNT/2k/XP и только с CheckedBuild. У вас установлен CheckedBuild? Нет? А зря. Вы теряете исключительную возможность увидеть эту замечательную строку.

Ну, а какие у нас альтернативы? Да, пожалуй, только одна. Не использовать API для работы с критическими секциями. Вместо них написать свои собственные. Пусть даже не такие обточенные напильником, как в Windows NT. Не страшно. Нам это понадобится только в debug-конфигурациях. В release'ах мы будем продолжать использовать оригинальный API от Майкрософт. Для этого напишем несколько функций, полностью совместимых по типам и количеству аргументов с "настоящим" API, и добавим #define, как у MFC, для переопределения оператора new в debug-конфигурациях.

Листинг 14. Собственная реализация критических секций.

#if defined(_DEBUG) && !defined(_NO_DEADLOCK_TRACE)



#define DEADLOCK_TIMEOUT 30000

#define CS_DEBUG 1



// Создаем на лету событие для операций ожидания,

// но никогда его не освобождаем. Так удобней для отладки

static inline HANDLE _CriticalSectionGetEvent(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  HANDLE ret = pcs->LockSemaphore;

  if (!ret)

  {

    HANDLE sem = ::CreateEvent(NULL, false, false, NULL);

    ATLASSERT(sem);



    if (!(ret = (HANDLE)::InterlockedCompareExchangePointer(

        &pcs->LockSemaphore, sem, NULL)))

      ret = sem;

    else

      ::CloseHandle(sem); // Кто-то успел раньше

  }

  return ret;

}



// Ждем, пока критическая секция не освободится либо время ожидания

// будет превышено

static inline VOID _WaitForCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);



  DWORD dwWait;

  do

  {

    dwWait = ::WaitForSingleObject(sem, DEADLOCK_TIMEOUT);

    if (WAIT_TIMEOUT == dwWait)

    {

      ATLTRACE("Critical section timeout (%u msec):"

          " tid 0x%04X owner tid 0x%04X\n", DEADLOCK_TIMEOUT,

          ::GetCurrentThreadId(), pcs->OwningThread);

    }

  }while(WAIT_TIMEOUT == dwWait);

  ATLASSERT(WAIT_OBJECT_0 == dwWait);

}



// Выставляем событие в активное состояние

static inline VOID _UnWaitCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);

  BOOL b = ::SetEvent(sem);

  ATLASSERT(b);

}



// Заполучаем критическую секцию в свое пользование

inline VOID EnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  if (::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount))

  {

    // LockCount стал больше нуля.

    // Проверяем идентификатор нити

    if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())

    {

      // Нить та же самая. Критическая секция наша.

      pcs->RecursionCount++;

      return;

    }



    // Критическая секция занята другой нитью.

    // Придется подождать

    _WaitForCriticalSectionDbg(pcs);

  }



  // Либо критическая секция была "свободна",

  // либо мы дождались. Сохраняем идентификатор текущей нити.

  pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

  pcs->RecursionCount = 1;

}



// Заполучаем критическую секцию, если она никем не занята

inline BOOL TryEnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  if (-1L == ::InterlockedCompareExchange(&pcs->LockCount, 0, -1))

  {

    // Это первое обращение к критической секции

    pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

    pcs->RecursionCount = 1;

  }

  else if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())

  {

    // Это не первое обращение, но из той же нити

    ::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount);

    pcs->RecursionCount++;

  }

  else

    return FALSE; // Критическая секция занята другой нитью



  return TRUE;

}



// Освобождаем критическую секцию

inline VOID LeaveCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  // Проверяем, чтобы идентификатор текущей нити совпадал

  // с идентификатором нити-владельца.

  // Если это не так, скорее всего мы имеем дело с ошибкой

  ATLASSERT(pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId());



  if (--pcs->RecursionCount)

  {

    // Не последний вызов из этой нити.

    // Уменьшаем значение поля LockCount

    ::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount);

  }

  else

  {

    // Последний вызов. Нужно "разбудить" какую-либо

    // из ожидающих ниток, если таковые имеются

    ATLASSERT(NULL != pcs->OwningThread);



    pcs->OwningThread = NULL;

    if (::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount) >= 0)

    {

      // Имеется, как минимум, одна ожидающая нить

      _UnWaitCriticalSectionDbg(pcs);

    }

  }

}



// Удостоверяемся, что ::EnterCriticalSection() была вызвана

// до вызова этого метода

inline BOOL CheckCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  return pcs->LockCount >= 0

    && pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

}



// Переопределяем все функции для работы с критическими секциями.

// Определение класса CLock должно быть после этих строк

#define EnterCriticalSection EnterCriticalSectionDbg

#define TryEnterCriticalSection TryEnterCriticalSectionDbg

#define LeaveCriticalSection LeaveCriticalSectionDbg

#endif

Ну и заодно добавим еще один метод в наш класс Clock (листинг 15).

Листинг 15. Класс CLock с новым методом.

class CLock

{

  friend class CScopeLock;

  CRITICAL_SECTION m_CS;

public:

  void Init() { ::InitializeCriticalSection(&m_CS); }

  void Term() { ::DeleteCriticalSection(&m_CS); }



  void Lock() { ::EnterCriticalSection(&m_CS); }

  BOOL TryLock() { return ::TryEnterCriticalSection(&m_CS); }

  void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(&m_CS); }

  BOOL Check() { return CheckCriticalSection(&m_CS); }

};

Использовать метод Check() в release-конфигурациях не стоит, возможно, что в будущем, в какой-нибудь Windows64, структура RTL_CRITICAL_SECTION изменится, и результат такой проверки будет не определен. Так что ему самое место "жить" внутри всяческих ASSERT'ов.

Итак, что мы имеем? Мы имеем проверку на лишний вызов ::LeaveCriticalSection() и ту же трассировку для блокировок. Не так уж много. Особенно если трассировка о блокировке имеет место, а вот нить, забывшая освободить критическую секцию, давно завершилась. Как быть? Вернее, что бы еще придумать, чтобы ошибку проще было выявить? Как минимум, прикрутить сюда __LINE__ и __FILE__, константы, соответствующие текущей строке и имени файла на момент компиляции этого метода.

VOID EnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs

  , int nLine = __LINE__, azFile = __FILE__);

Компилируем, запускаем... Результат удивительный. Хотя правильный. Компилятор честно подставил номер строки и имя файла, соответствующие началу нашей EnterCriticalSectionDbg(). Так что придется попотеть немного больше. __LINE__ и __FILE__ нужно вставить в #define'ы, тогда мы получим действительные номер строки и имя исходного файла. Теперь вопрос, куда же сохранить эти параметры для дальнейшего использования? Причем хочется оставить за собой возможность вызова стандартных функций API наряду с нашими собственными? На помощь приходит C++: просто создадим свою структуру, унаследовав ее от RTL_CRITICAL_SECTION (листинг 16). 

Листинг 16. Реализация критических секций с сохранением строки и имени файла.

#if defined(_DEBUG) && !defined(_NO_DEADLOCK_TRACE)



#define DEADLOCK_TIMEOUT 30000

#define CS_DEBUG 2



// Наша структура взамен CRITICAL_SECTION

struct CRITICAL_SECTION_DBG : public CRITICAL_SECTION

{

  // Добавочные поля

  int     m_nLine;

  LPCSTR    m_azFile;

};

typedef struct CRITICAL_SECTION_DBG *LPCRITICAL_SECTION_DBG;



// Создаем на лету событие для операций ожидания,

// но никогда его не освобождаем. Так удобней для отладки.

static inline HANDLE _CriticalSectionGetEvent(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  HANDLE ret = pcs->LockSemaphore;

  if (!ret)

  {

    HANDLE sem = ::CreateEvent(NULL, false, false, NULL);

    ATLASSERT(sem);



    if (!(ret = (HANDLE)::InterlockedCompareExchangePointer(

        &pcs->LockSemaphore, sem, NULL)))

      ret = sem;

    else

      ::CloseHandle(sem); // Кто-то успел раньше

  }

  return ret;

}



// Ждем, пока критическая секция не освободится либо время ожидания

// будет превышено

static inline VOID _WaitForCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs

  , int nLine, LPCSTR azFile)

{

  HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);



  DWORD dwWait;

  do

  {

    dwWait = ::WaitForSingleObject(sem, DEADLOCK_TIMEOUT);

    if (WAIT_TIMEOUT == dwWait)

    {

      ATLTRACE("Critical section timeout (%u msec):"

        " tid 0x%04X owner tid 0x%04X\n"

        "Owner lock from %hs line %u, waiter %hs line %u\n"

        , DEADLOCK_TIMEOUT

        , ::GetCurrentThreadId(), pcs->OwningThread

        , pcs->m_azFile, pcs->m_nLine, azFile, nLine);

    }

  }while(WAIT_TIMEOUT == dwWait);

  ATLASSERT(WAIT_OBJECT_0 == dwWait);

}



// Выставляем событие в активное состояние

static inline VOID _UnWaitCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  HANDLE sem = _CriticalSectionGetEvent(pcs);

  BOOL b = ::SetEvent(sem);

  ATLASSERT(b);

}



// Инициализируем критическую секцию.

inline VOID InitializeCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs)

{

  // Пусть система заполнит свои поля

  InitializeCriticalSection(pcs);

  // Заполняем наши поля

  pcs->m_nLine = 0;

  pcs->m_azFile = NULL;

}



// Освобождаем ресурсы, занимаемые критической секцией

inline VOID DeleteCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs)

{

  // Проверяем, чтобы не было удалений "захваченных" критических секций

  ATLASSERT(0 == pcs->m_nLine && NULL == pcs->m_azFile);

  // Остальное доделает система

  DeleteCriticalSection(pcs);

}



// Заполучаем критическую секцию в свое пользование

inline VOID EnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs

  , int nLine, LPSTR azFile)

{

  if (::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount))

  {

    // LockCount стал больше нуля.

    // Проверяем идентификатор нити

    if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())

    {

      // Нить та же самая. Критическая секция наша.

      // Никаких дополнительных действий не производим.

      // Это не совсем верно, так как возможно, что непарный

      // вызов ::LeaveCriticalSection() был сделан на n-ном заходе,

      // и это придется отлавливать вручную, но реализация

      // стека для __LINE__ и __FILE__ сделает нашу систему

      // более громоздкой. Если это действительно необходимо,

      // вы всегда можете сделать это самостоятельно

      pcs->RecursionCount++;

      return;

    }



    // Критическая секция занята другой нитью.

    // Придется подождать

    _WaitForCriticalSectionDbg(pcs, nLine, azFile);

  }



  // Либо критическая секция была "свободна",

  // либо мы дождались. Сохраняем идентификатор текущей нити.

  pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

  pcs->RecursionCount = 1;

  pcs->m_nLine = nLine;

  pcs->m_azFile = azFile;

}



// Заполучаем критическую секцию, если она никем не занята

inline BOOL TryEnterCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs

  , int nLine, LPSTR azFile)

{

  if (-1L == ::InterlockedCompareExchange(&pcs->LockCount, 0, -1))

  {

    // Это первое обращение к критической секции

    pcs->OwningThread = (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

    pcs->RecursionCount = 1;

    pcs->m_nLine = nLine;

    pcs->m_azFile = azFile;

  }

  else if (pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId())

  {

    // Это не первое обращение, но из той же нити

    ::InterlockedIncrement(&pcs->LockCount);

    pcs->RecursionCount++;

  }

  else

    return FALSE; // Критическая секция занята другой нитью



  return TRUE;

}



// Освобождаем критическую секцию

inline VOID LeaveCriticalSectionDbg(LPCRITICAL_SECTION_DBG pcs)

{

  // Проверяем, чтобы идентификатор текущей нити совпадал

  // с идентификатором нити-влядельца.

  // Если это не так, скорее всего мы имеем дело с ошибкой

  ATLASSERT(pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId());



  if (--pcs->RecursionCount)

  {

    // Не последний вызов из этой нити.

    // Уменьшаем значение поля LockCount

    ::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount);

  }

  else

  {

    // Последний вызов. Нужно "разбудить" какую-либо

    // из ожидающих ниток, если таковые имеются

    ATLASSERT(NULL != pcs->OwningThread);



    pcs->OwningThread = NULL;

    pcs->m_nLine = 0;

    pcs->m_azFile = NULL;

    if (::InterlockedDecrement(&pcs->LockCount) >= 0)

    {

      // Имеется, как минимум, одна ожидающая нить

      _UnWaitCriticalSectionDbg(pcs);

    }

  }

}



// Удостоверяемся, что ::EnterCriticalSection() была вызвана

// до вызова этого метода

inline BOOL CheckCriticalSection(LPCRITICAL_SECTION pcs)

{

  return pcs->LockCount >= 0

    && pcs->OwningThread == (HANDLE)::GetCurrentThreadId();

}



// Переопределяем все функции для работы с критическими секциями.

// Определение класса CLock должно быть после этих строк

#define InitializeCriticalSection InitializeCriticalSectionDbg

#define InitializeCriticalSectionAndSpinCount(pcs, c) \

     InitializeCriticalSectionDbg(pcs)

#define DeleteCriticalSection DeleteCriticalSectionDbg

#define EnterCriticalSection(pcs) EnterCriticalSectionDbg(pcs, __LINE__, __FILE__)

#define TryEnterCriticalSection(pcs) \

  TryEnterCriticalSectionDbg(pcs, __LINE__, __FILE__)

#define LeaveCriticalSection LeaveCriticalSectionDbg

#define CRITICAL_SECTION CRITICAL_SECTION_DBG

#define LPCRITICAL_SECTION LPCRITICAL_SECTION_DBG

#define PCRITICAL_SECTION PCRITICAL_SECTION_DBG



#endif

Приводим наши классы в соответствие (листинг 17).

Листинг 17. Классы CLock и CScopeLock, вариант для отладки.

class CLock

{

  friend class CScopeLock;

  CRITICAL_SECTION m_CS;

public:

  void Init() { ::InitializeCriticalSection(&m_CS); }

  void Term() { ::DeleteCriticalSection(&m_CS); }



#if defined(CS_DEBUG)

  BOOL Check() { return CheckCriticalSection(&m_CS); }

#endif

#if CS_DEBUG > 1

  void Lock(int nLine, LPSTR azFile) { EnterCriticalSectionDbg(&m_CS, nLine, azFile); }

  BOOL TryLock(int nLine, LPSTR azFile) { return TryEnterCriticalSectionDbg(&m_CS, nLine, azFile); }

#else

  void Lock() { ::EnterCriticalSection(&m_CS); }

  BOOL TryLock() { return ::TryEnterCriticalSection(&m_CS); }

#endif

  void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(&m_CS); }

};

class CScopeLock

{

  LPCRITICAL_SECTION m_pCS;

public:

#if CS_DEBUG > 1

  CScopeLock(LPCRITICAL_SECTION pCS, int nLine, LPSTR azFile) : m_pCS(pCS) { Lock(nLine, azFile); }

  CScopeLock(CLock& lock, int nLine, LPSTR azFile) : m_pCS(&lock.m_CS) { Lock(nLine, azFile); }

  void Lock(int nLine, LPSTR azFile) { EnterCriticalSectionDbg(m_pCS, nLine, azFile); }

#else

  CScopeLock(LPCRITICAL_SECTION pCS) : m_pCS(pCS) { Lock(); }

  CScopeLock(CLock& lock) : m_pCS(&lock.m_CS) { Lock(); }

  void Lock() { ::EnterCriticalSection(m_pCS); }

#endif

  ~CScopeLock() { Unlock(); }

  void Unlock() { ::LeaveCriticalSection(m_pCS); }

};



#if CS_DEBUG > 1

#define Lock() Lock(__LINE__, __FILE__)

#define TryLock() TryLock(__LINE__, __FILE__)

#define lock(cs) lock(cs, __LINE__, __FILE__)

#endif

К сожалению, пришлось даже переопределить CScopeLock lock(cs), причем жестко привязаться к имени переменной. Не стоит говорить о том, что наверняка получился конфликт имен - все-таки Lock довольно популярное название для метода. Такой код не будет собираться, например, с популярнейшей библиотекой ATL. Тут есть два способа. Переименовать методы Lock() и TryLock() во что-нибудь более уникальное, либо переименовать Lock() в ATL:

// StdAfx.h

//. ..

#define Lock ATLLock

#include <AtlBase.h>

//. ..

Сменим тему

А что это мы все про Win32 API да про C++? Давайте посмотрим, как обстоят дела с критическими секциями в более современных языках программирования.

C#

Тут стараниями Майкрософт имеется полный набор старого доброго API под новыми именами.

Критические секции представлены классом System.Threading.Monitor, вместо ::EnterCriticalSection() есть Monitor.Enter(object), а вместо ::LeaveCriticalSection() Monitor.Exit(object), где object – это любой объект C#. Т.е. каждый объект где-то в потрохах CLR (Common Language Runtime) имеет свою собственную критическую секцию либо заводит ее по необходимости. Типичное использование этой секции выглядит так:

Monitor.Enter(this);

m_dwSmth = dwSmth;

Monitor.Exit(this);

Если нужно организовать отдельную критическую секцию для какой-либо переменной, самым логичным способом будет поместить ее в отдельный объект и использовать этот объект как аргумент при вызове Monitor.Enter/Exit(). Кроме того, в C# существует ключевое слово lock, это полный аналог нашего класса CScopeLock.

lock (this)

{

  m_dwSmth = dwSmth;

}

А вот Monitor.TryEnter() в C# (о, чудо!) принимает в качестве параметра максимальный период ожидания.

Замечу, что CLR – это не только C#, все это применимо и к другим языкам, использующим CLR.

Java

В этом языке используется подобный механизм, только место ключевого слова lock есть ключевое слово synchronized, а все остальное – точно так же.

synchronized (this)

{

  m_dwSmth = dwSmth;

}

MC++ (управляемый C++)

Тут тоже появился атрибут [synchronized] ведущий себя точно так же, как и одноименное ключевое слово из Java. Странно, что архитекторы из Майкрософт решили позаимствовать синтаксис из продукта от Sun Microsystems вместо своего собственного. 

[synchronized] DWORD m_dwSmth;

//...

m_dwSmth = dwSmth; // неявный вызов Lock(this)

Delphi

Практически все, что верно для C++, верно и для Delphi. Критические секции представлены объектом TCriticalSection. Собственно, это такая же обертка как и наш класс CLock.

Кроме того, в Delphi присутствует специальный объект TMultiReadExclusiveWriteSynchronizer с названием, говорящим само за себя.

Подведем итоги

Итак, что нужно знать о критических секциях:

Критические секции работают быстро и не требуют большого количества системных ресурсов. 

Для синхронизации доступа к нескольким (независимым) переменным лучше использовать несколько критических секций, а не одну для всех. 

Код, ограниченный критическими секциями, лучше всего свести к минимуму. 

Находясь в критической секции, не стоит вызывать методы "чужих" объектов.