Олег Цилюрик - QNX/UNIX - Анатомия параллелизма

В многопоточной среде элементарные и привычные операции могут таить в себе опасности. Действительно, простейший оператор вида:

i = i + 1;

содержит в себе опасность, если этот оператор записан в функции потока, выполняемой несколькими экземплярами потоков (совершенно типичный случай). Не менее опасен, но менее очевиден по внешнему виду и оператор:

i += 1;

Даже операторы инкремента и декремента ( ++iи --i), которые в системе команд практически всех типов процессоров выполняются как атомарные и которые являются основой для реализации семафорных операций, в симметричной мультипроцессорной архитектуре перестают быть безопасными. Хуже того, привычные программисту операции стандартной библиотеки и просто синтаксические конструкции языка становятся небезопасными в многопоточной среде. Вот еще два примера:

1. Оператор копирования нетипизированного блока памяти, безбоязненно используемый десятилетиями:

void* memcpy(void* dst, const void* src, size_t length);

2. Операторы присваивания, инициализации или сравнения структурированных объектов данных:

struct X {

X(const X& y) { ... }

friend bool operator==(const X& f, const X& s) { ... }

// оператор присваивания мы не переопределяем, используется

// присваивание по умолчанию - побайтовое копирование

};

...

X A;

...

X B(А); // потенциальная ошибка

...

B = A; // потенциальная ошибка

if (А == В) { ... } // потенциальная ошибка

Обратите внимание, что все объекты данных, для которых могут наблюдаться обсуждаемые эффекты, должны быть доступны вне потока, то есть быть глобальными с точки зрения видимости в потоке.

Именно для безопасного манипулирования данными в параллельной среде QNX API и вводятся атомарные операции. Десять атомарных функций делятся на две симметричные группы по виду своего именования и логике функционирования. Все атомарные операции осуществляются только над одним типом данных unsigned int, но, как будет показано далее, это не такое уж и сильное ограничение. Сам объект, над которым осуществляется атомарная операция (типа unsigned int), — это самая обычная переменная целочисленного типа, только описанная с квалификатором volatile.

Помимо атомарных операций над этой переменной могут выполняться любые другие действия, которые можно считать безопасными в многопоточной среде: инициализация, присваивание значений, сравнения. Более того, при выходе программы за область возможного многопоточного доступа к этой переменной она может далее использоваться любым традиционным и привычным образом.

Важно также отметить, что термин «атомарность» относится не к особым свойствам некоторого объекта данных, а к ограниченному ряду операций, которые можно безопасно выполнять над этим объектом в многопоточной среде.

Общий вид прототипов каждой из двух групп атомарных операций следующий:

void atomic_*(volatile unsigned *D, unsigned S);

unsigned atomic_*_value(volatile unsigned *D, unsigned S);

где вместо *должно стоять имя одной из пяти операций (таким алгоритмом и обеспечивается 10 различных атомарных функций):

add— добавить численное значение к операнду;

sub— вычесть численное значение из операнда;

clr— очистить битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) &= ~S);

set— установить битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) |= S);

toggle— инвертировать битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) ^= S);

D— именно тот объект, над которым осуществляется атомарная операция;

S— второй операнд осуществляемой операции.

Две формы атомарных функций для каждой операции отличаются тем, что первая из них выполняет операцию без возврата значения, а вторая возвращает значение, которое операнд Dимел до выполнения операции (т.e. прежнее значение, как это делают, например, префиксные операции инкремента ++Dи декремента --D, в отличие от постфиксных D++и D--).

Зачем нужны две формы для операции? Техническая документация QNX утверждает, что вторая форма может выполняться дольше. Справедливость этого утверждения и насколько дольше выполняется вторая форма, мы скоро увидим на примерах.

Итак, у нас есть 10 функций для выполнения пяти атомарных операций:

atomic_add() atomic_add_value()