Энтони Уильямс - Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ

Листинг 9.6.Пул с очередями в поточно-локальной памяти

class thread_pool {

thread_safe_queue pool_work_queue;

typedef std::queue local_queue_type;← (1)

static thread_local std::unique_ptr

local_work_queue; ← (2)

void worker_thread() {

local_work_queue.reset(new local_queue_type);← (3)

while (!done) {

run_pending_task();

}

}

public:

template

std::future::type>

submit(FunctionType f) {

typedef typename std::result_of::type

result_type;

std::packaged_task task(f);

std::future res(task.get_future());

if (local_work_queue) { ← (4)

local_work_queue->push(std::move(task));

} else {

pool_work_queue.push(std::move(task)); ← (5)

}

return res;

}

void run_pending_task() {

function_wrapper task;

if (local_work_queue && !local_work_queue->empty()) {← (6)

task = std::move(local_work_queue->front());

local_work_queue->pop();

task();

} else if(pool_work_queue.try_pop(task)) { ← (7)

task();

} else {

std::this_thread::yield();

}

}

// остальное, как и раньше

};

Для хранения очереди работ в поточно-локальной памяти мы воспользовались указателем std::unique_ptr<> (2), потому что не хотим, чтобы у потоков, не входящих в пул, была очередь; этот указатель инициализируется в функции worker_thread()до начала цикла обработки (3). Деструктор std::unique_ptr<>позаботится об уничтожении очереди работ по завершении потока.

Затем функция submit()проверяет, есть ли у текущего потока очередь работ (4). Если есть, то это поток из пула, и мы можем поместить задачу в локальную очередь. В противном случае задачу следует помещать в очередь пула, как и раньше (5).

Аналогичная проверка имеется в функции run_pending_task() (6), только на этот раз нужно еще проверить, есть ли что-нибудь в локальной очереди. Если есть, то можно извлечь элемент из начала очереди и обработать его. Обратите внимание, что локальная очередь может быть обычным объектом std::queue<> (1), так как к ней обращается только один поток. Если в локальной очереди задач нет, то мы проверяем очередь пула, как и раньше (7).

Таким образом мы действительно уменьшаем конкуренцию, но если распределение работ неравномерно, то может случиться, что в очереди одного потока скопится много задач, тогда как остальным будет нечем заняться. Например, в случае Quicksort только самый первый блок попадает в очередь пула, а остальные окажутся в локальной очереди того потока, который этот блок обработал. Это сводит на нет всю идею пула потоков.

К счастью, у этой проблемы есть решение: позволить потоку занимать (steal) работы из очередей других потоков, если ни в его собственной, ни в глобальной очереди ничего нет.

Если мы хотим, чтобы «безработный» поток мог брать работы из очереди другого потока, то эта очередь должна быть доступна занимающему потоку в run_pending_tasks(). Для этого каждый поток должен зарегистрировать свою очередь в пуле или получать очередь от пула. Кроме того, необходимо позаботиться о надлежащей синхронизации и защите очереди работ, чтобы не нарушались инварианты.

Можно написать свободную от блокировок очередь, которая позволит потоку-владельцу помещать и извлекать элементы с одного конца, а другим потокам — занимать элементы с другого конца, однако реализация такой очереди выходит за рамки данной книги. Чтобы продемонстрировать идею, мы поступим проще — воспользуемся мьютексом для защиты данных очереди. Мы надеемся, что занимание работ — редкое событие, поэтому конкуренция за мьютекс будет невелика, и накладные расходы на такую очередь окажутся минимальны. Ниже приведена простая реализация с блокировками.

Листинг 9.7.Очередь с блокировкой, допускающей занимание работ

class work_stealing_queue {

private:

typedef function_wrapper data_type;

std::deque the_queue; ← (1)

mutable std::mutex the_mutex;

public:

work_stealing_queue() {}

work_stealing_queue(const work_stealing_queue& other)=delete;

work_stealing_queue& operator=(

const work_stealing_queue& other)=delete;

void push(data_type data) { ← (2)

std::lock_guard lock(the_mutex);

the_queue.push_front(std::move(data));

}

bool empty() const {

std::lock_guard lock(the_mutex);

return the_queue.empty();

}

bool try_pop(data_type& res) { ← (3)

std::lock_guard lock(the_mutex);

if (the_queue.empty()) {

return false;