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

Тип std::atomic_flagнастолько ограничен, что его даже нельзя использовать в качестве обычного булевского флага, так как он не допускает проверки без изменения значения. На эту роль больше подходит тип std::atomic, который я рассмотрю ниже.

Из атомарных целочисленных типов простейшим является std::atomic. Как и следовало ожидать, его функциональность в качестве булевского флага богаче, чем у std::atomic_flag. Хотя копирующий конструктор и оператор присваивания по-прежнему не определены, но можно сконструировать объект из неатомарного bool, поэтому в начальном состоянии он может быть равен как true, так и false. Разрешено также присваивать объектам типа std::atomicзначения неатомарного типа bool:

std::atomic b(true);

b = false;

Что касается оператора присваивания с неатомарным boolв правой части, нужно еще отметить отход от общепринятого соглашения о возврате ссылки на объект в левой части — этот оператор возвращает присвоенное значение типа bool. Такая практика обычна для атомарных типов: все поддерживаемые ими операторы присваивания возвращают значения (соответствующего неатомарного типа), а не ссылки. Если бы возвращалась ссылка на атомарную переменную, то программа, которой нужен результат присваивания, должна была бы явно загрузить значение, открывая возможность для модификации результата другим потоком в промежутке между присваиванием и чтением. Получая же результат присваивания в виде неатомарного значения, мы обходимся без дополнительной операции загрузки и можем быть уверены, что получено именно то значение, которое было сохранено.

Запись (любого значения: trueили false) производится не чрезмерно ограничительной функцией clear()из класса std::atomic_flag, а путём вызова функции-члена store(), хотя семантику упорядочения доступа к памяти по-прежнему можно задать. Аналогично вместо test_and_set()используется более общая функция-член exchange(), которая позволяет атомарно заменить ранее сохраненное значение новым и вернуть прежнее значение. Тип std::atomicподдерживает также проверку значения без модификации посредством неявного преобразования к типу boolили явного обращения к функции load(). Как нетрудно догадаться, store()— это операция сохранения, load()— операция загрузки, a exchange()— операция чтения-модификации-записи:

std::atomic b;

bool x = b.load(std::memory_order_acquire);

b.store(true);

x = b.exchange(false, std::memory_order_acq_rel);

Функция exchange()— не единственная операция чтения-модификации-записи, которую поддерживает тип std::atomic; в нем также определена операция сохранения нового значения, если текущее совпадает с ожидаемым.

Новая операция называется «сравнить и обменять» и реализована в виде функций-членов compare_exchange_weak()и compare_exchange_strong(). Эта операция — краеугольный камень программирования с использованием атомарных типов; она сравнивает значение атомарной переменной с указанным ожидаемым значением и, если они совпадают, то сохраняет указанное новое значение. Если же значения не совпадают, то ожидаемое значение заменяется фактическим значением атомарной переменной. Функции сравнения и обмена возвращают значение типа bool, равное true, если сохранение было произведено, и false— в противном случае.

В случае compare_exchange_weak()сохранение может не произойти, даже если текущее значение совпадает с ожидаемым. В таком случае значение переменной не изменится, а функция вернет false. Такое возможно на машинах, не имеющих аппаратной команды сравнить-и-обменять, если процессор не может гарантировать атомарности операции — например, потому что поток, в котором операция выполнялась, был переключён в середине требуемой последовательности команд и замещен другим потоком (когда потоков больше, чем процессоров). Эта ситуация называется ложным отказом , потому что причиной отказа являются не значения переменных, а хронометраж выполнения функции.

Поскольку compare_exchange_weak()может стать жертвой ложного отказа, обычно ее вызывают в цикле:

bool expected = false;

extern atomic b; // установлена где-то в другом месте

while (!b.compare_exchange_weak(expected, true) && !expected);

Этот цикл продолжается, пока expectedравно false, что указывает на ложный отказ compare_exchange_weak().