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

При использовании мелкогранулярных схем блокирования иногда для защиты всех данных, участвующих в операции, приходится захватывать более одного мьютекса. Как отмечалось выше, бывают случаи, когда лучше повысить гранулярность защищаемых данных, чтобы для их защиты хватило одного мьютекса. Но это не всегда желательно, например, если мьютексы защищают отдельные экземпляры класса. В таком случае блокировка «на уровень выше» означает одно из двух: передать ответственность за блокировку пользователю или завести один мьютекс, который будет защищать все экземпляры класса. Ни одно из этих решений не вызывает восторга.

Но когда для защиты одной операции приходится использовать два или более мьютексов, всплывает очередная проблема: взаимоблокировка . По природе своей она почти противоположна гонке: если в случае гонки два потока состязаются, кто придет первым, то теперь каждый поток ждет другого, и в результате ни тот, ни другой не могут продвинуться ни на шаг.

Представьте игрушку, состоящую из двух частей, причем для игры необходимы обе части, — например, игрушечный барабан и палочки. Теперь вообразите двух ребятишек, которые любят побарабанить. Если одному дать барабан с палочками, то он будет радостно барабанить, пока не надоест. Если другой тоже хочет поиграть, то ему придётся подождать, как бы это ни было печально. А теперь представьте, что барабан и палочки закопаны где-то в ящике для игрушек (порознь), и оба малыша захотели поиграть с ними одновременно. Один отыскал барабан, а другой палочки. И оба оказались в тупике — если кто-то один не решится уступить и позволить поиграть другому, то каждый будет держаться за то, что имеет, требуя, чтобы другой отдал недостающее. В результате побарабанить не сможет никто.

А теперь от детей и игрушек перейдём к потокам, ссорящимся по поводу захвата мьютексов, — оба потока для выполнения некоторой операции должны захватить два мьютекса, но сложилось так, что каждый поток захватил только один мьютекс и ждет другого. Ни один поток не может продолжить, так как каждый ждет, пока другой освободит нужный ему мьютекс. Такая ситуация называется взаимоблокировкой ; это самая трудная из проблем, возникающих, когда для выполнения операции требуется захватить более одного мьютекса.

Общая рекомендация, как избежать взаимоблокировок, заключается в том, чтобы всегда захватывать мьютексы в одном и том же порядке, — если мьютекс А всегда захватывается раньше мьютекса В, то взаимоблокировка не возникнет. Иногда это просто, потому что мьютексы служат разным целям, а иногда совсем не просто, например, если каждый мьютекс защищает отдельный объект одного и того же класса. Рассмотрим, к примеру, операцию сравнения двух объектов одного класса. Чтобы сравнению не мешала одновременная модификация, необходимо захватить мьютексы для обоих объектов. Однако, если выбрать какой-то определенный порядок (например, сначала захватывается мьютекс для объекта, переданного в первом параметре, а потом — для объекта, переданного во втором параметре), то легко можно получить результат, обратный желаемому: стоит двум потокам вызвать функцию сравнения, передав ей одни и те же объекты в разном порядке, как мы получим взаимоблокировку!

К счастью, в стандартной библиотеке есть на этот случай лекарство в виде функции std::lock, которая умеет захватывать сразу два и более мьютексов без риска получить взаимоблокировку. В листинге 3.6 показано, как воспользоваться ей для реализации простой операции обмена.

Листинг 3.6.Применение std::lockи std::lock_guardдля реализации операции обмена

class some_big_object;

void swap(some_big_object& lhs, some_big_object& rhs);

class X {

private:

some_big_object some_detail;

std::mutex m;

public:

X(some_big_object const& sd) : some_detail(sd) {}

friend void swap(X& lhs, X& rhs) {

if (&lhs == &rhs)

return;

std::lock(lhs.m, rhs.m); ← (1)

std::lock_guard lock_a(lhs.m, std::adopt_lock);← (2)

std::lock_guard lock_b(rhs.m, std::adopt_lock);← (3)

swap(lhs.some_detail,rhs.some_detail);

}

};

Сначала проверяется, что в аргументах переданы разные экземпляры, постольку попытка захватить std::mutex, когда он уже захвачен, приводит к неопределенному поведению. (Класс мьютекса, допускающего несколько захватов в одном потоке, называется std::recursive_mutex. Подробности см. в разделе 3.3.3.) Затем мы вызываем std::lock() (1), чтобы захватить оба мьютекса, и конструируем два экземпляра std::lock_guard (2), (3)— по одному для каждого мьютекса. Помимо самого мьютекса, конструктору передается параметр std::adopt_lock, сообщающий объектам std::lock_guard, что мьютексы уже захвачены, и им нужно лишь принять владение существующей блокировкой, а не пытаться еще раз захватить мьютекс в конструкторе.