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

В параллельной программе могут быть любые ошибки, в этом отношении она не представляет собой ничего особенного. Однако есть ряд ошибок, непосредственно связанных с параллелизмом, и вот они-то будут нам особенно интересны. Как правило, эти ошибки попадают в одну из двух категорий:

• нежелательное блокирование;

• состояния гонки.

Эти категории очень общие, поэтому давайте немного уточним их. Сначала рассмотрим нежелательное блокирование.

Что я понимаю под нежелательным блокированием? Прежде всего, поток считается заблокированным , если он не может продолжать выполнение, так как чего-то ждет. Это что-то может быть мьютексом, условной переменной, будущим результатом или завершением ввода/вывода. Это естественный, но не всегда приветствуемый аспект многопоточного кода, потому мы и говорим о проблеме нежелательного блокирования. Тогда возникает следующий вопрос: почему блокирование нежелательно? Обычно потому, что какой-то другой поток ждет результатов от заблокированного потока, чтобы выполнить некоторую операцию. И, значит, этот поток также оказывается заблокированным. На эту тему есть различные вариации.

• Взаимоблокировка — в главе 3 мы видели, что взаимоблокировка возникает, когда один поток ждет другого, а тот, в свою очередь, ждет первого. Если потоки взаимно блокируют друг друга, то порученные им задачи вообще никогда не будут выполнены. Наиболее наглядно это проявляется, когда один из таких потоков отвечает за пользовательский интерфейс; в этом случае интерфейс просто перестаёт реагировать на действия пользователя. В других случаях интерфейс реагирует, но какая-то задача не может завершиться, например, поиск не возвращает результатов или документ не печатается.

• Активная блокировка — похожа на взаимоблокировку в том смысле, что один поток ждет другого, а тот ждет первого. Но ключевое отличие заключается в том, что здесь мы имеем не блокирующее ожидание, а цикл активной проверки, например спинлок. В серьезных случаях симптомы выглядят так же, как при взаимоблокировке (приложение не может продолжить работу), только программа потребляет много процессорного времени, потому что потоки блокируют друг друга, продолжая работать. В менее серьезных случаях активная блокировка рано или поздно «рассасывается» из-за вероятностной природы планирования, но заблокированная задача испытывает ощутимые задержки, характеризуемые высоким потреблением процессорного времени.

• Блокировка в ожидании завершения ввода/вывода или поступления данных из внешнего источника — если поток блокируется в ожидании данных из внешнего источника, то он не может продолжать работу, даже если данные так никогда и не поступят. Поэтому крайне нежелательно, когда такая блокировка происходит в потоке, от работы которого зависят другие потоки.

Вот вкратце описание нежелательного блокирования. А как насчет состояний гонки?

Состояния гонки — одна из самых распространенных причин ошибок в многопоточных программах, часто взаимоблокировки и активные блокировки — лишь проявления гонки. Не все состояния гонки проблематичны — гонка возникает всякий раз, как поведение зависит от порядка планирования операций в различных потоках. Многие состояния гонки совершенно безобидны; например, безразлично, какой поток заберет очередную задачу из очереди. Однако же целый ряд связанных с параллелизмом ошибок обусловлен именно гонкой. В частности, гонки нередко приводят к следующим проблемам.

• Гонка за данными — это особый тип гонки, который приводит к неопределенному поведению из-за несинхронизированного одновременного доступа к разделяемой ячейке памяти. С этим видом гонок мы познакомились в главе 5 при изучении модели памяти в С++. Обычно гонка за данными возникает вследствие неправильного использования атомарных операций для синхронизации потоков или в результате доступа к разделяемым данным, не защищенного подходящим мьютексом.

• Нарушение инвариантов — такие гонки могут проявляться в форме висячих указателей (другой поток уже удалил данные, к которым мы пытаемся обратиться), случайного повреждения памяти (из-за того, что поток читает данные, оказавшиеся несогласованными в результате частичного обновления) и двойного освобождения (например, два потока извлекают из очереди одно и то же значение, и потом оба удаляют ассоциированные с ним данные). Нарушение инварианта может быть связано как с несоблюдением временных соотношений, так и с неправильными значениями. Если требуется, чтобы операции в разных потоках выполнялись в определенном порядке, то некорректная синхронизация может стать причиной гонки, из-за которой требуемый порядок иногда нарушается.