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

class dns_cache {

std::map entries;

mutable boost::shared_mutex entry_mutex;

public:

dns_entry find_entry(std::string const& domain) const {

boost::shared_lock lk(entry_mutex); ← (1)

std::map::const_iterator const it =

entries.find(domain);

return (it == entries.end()) ? dns_entry() : it->second;

}

void update_or_add_entry(std::string const& domain,

dns_entry const& dns_details) {

std::lock_guard lk(entry_mutex); ← (2)

entries[domain] = dns_details;

}

};

В листинге 3.13 в функции find_entry()используется объект boost::shared_lock<>, обеспечивающий разделяемый доступ к данным для чтения (1); следовательно, ее можно спокойно вызывать одновременно из нескольких потоков. С другой стороны, в функции update_or_add_entry()используется объект std::lock_guard<>, который обеспечивает монопольный доступ на время обновления таблицы (2), и, значит, блокируются не только другие потоки, пытающиеся одновременно выполнить update_or_add_entry(), но также потоки, вызывающие find_entry().

Попытка захватить std::mutexв потоке, который уже владеет им, является ошибкой и приводит к неопределенному поведению . Однако бывают случаи, когда потоку желательно повторно захватывать один и тот же мьютекс, не освобождая его предварительно. Для этого в стандартной библиотеке С++ предусмотрен класс std::recursive_mutex. Работает он аналогично std::mutex, но с одним отличием: один и тот же поток может многократно захватывать данный мьютекс. Но перед тем как этот мьютекс сможет захватить другой поток, его нужно освободить столько раз, сколько он был захвачен. Таким образом, если функция lock()вызывалась три раза, то и функцию unlock() нужно будет вызвать трижды. При правильном использовании std::lock_guardи std::unique_lockэто гарантируется автоматически.

Как правило, программу, в которой возникает необходимость в рекурсивном мьютексе, лучше перепроектировать. Типичный пример использования рекурсивного мьютекса возникает, когда имеется класс, к которому могут обращаться несколько потоков, так что для защиты его данных необходим мьютекс. Каждая открытая функция-член захватывает мьютекс, что-то делает, а затем освобождает его. Но бывает, что одна открытая функция-член вызывает другую, и в таком случае вторая также попытается захватить мьютекс, что приведет к неопределенному поведению. Тогда, чтобы решить проблему по-быстрому, обычный мьютекс заменяют рекурсивным. Это позволит второй функции захватить мьютекс и продолжить работу.

Однако такое решение не рекомендуется , потому что является признаком небрежного и плохо продуманного проектирования. В частности, при работе под защитой мьютекса часто нарушаются инварианты класса, а это означает, что вторая функция-член должна правильно работать даже в условиях, когда некоторые инварианты не выполняются. Обычно лучше завести новую закрытую функцию-член, которая вызывается из обеих открытых и не захватывает мьютекс (то есть предполагает, что мьютекс уже захвачен). Затем следует тщательно продумать, при каких условиях эта новая функция может вызываться и в каком состоянии будут при этом находиться данные.

В этой главе мы рассмотрели, к каким печальным последствиям могут приводить проблематичные гонки, когда возможно разделение данных между потоками, и как с помощью класса std::mutexи тщательного проектирования интерфейса этих неприятностей можно избежать. Мы видели, что мьютексы — не панацея, поскольку им свойственны собственные проблемы в виде взаимоблокировки, хотя стандартная библиотека С++ содержит средство, позволяющее избежать их — класс std::lock(). Затем мы обсудили другие способы избежать взаимоблокировок и кратко обсудили передачу владения блокировкой и вопросы, касающиеся выбора подходящего уровня гранулярности блокировки. Наконец, я рассказал об альтернативных механизмах защиты данных, применяемых в специальных случаях: std::call_once()и boost::shared_mutex.

А вот чего мы пока не рассмотрели, так это ожидание поступления входных данных из других потоков. Наш потокобезопасный стек просто возбуждает исключение при попытке извлечения из пустого стека. Поэтому если один поток хочет дождаться, пока другой поток поместит в стек какие-то данные (а это, собственно, и есть основное назначение потокобезопасного стека), то должен будет раз за разом пытаться извлечь значение, повторяя попытку в случае исключения. Это приводит лишь к бесцельной трате процессорного времени на проверку; более того, такая повторяющаяся проверка может замедлить работу программы, поскольку не дает выполняться другим потокам. Нам необходим какой-то способ, который позволил бы одному потоку ждать завершения операции в другом потоке, не потребляя процессорное время. В главе 4, которая опирается на рассмотренные выше средства защиты разделяемых данных, мы познакомимся с различными механизмами синхронизации операций между потоками в С++, а в главе 6 увидим, как с помощью этих механизмов можно строить более крупные структуры данных, допускающие повторное использование.