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

Свободные функции совместимы с языком С, то есть во всех случаях принимают указатели, а не ссылки. Например, первый параметр функций-членов compare_exchange_weak()и compare_exchange_strong()(ожидаемое значение) — ссылка, но вторым параметром std::atomic_compare_exchange_weak()(первый — это указатель на объект) является указатель. Функция std::atomic_compare_exchange_weak_explicit()также требует задания двух параметров, определяющих упорядочение доступа к памяти в случае успеха и отказа, тогда как функции-члены для сравнения с обменом имеют варианты как с одним параметром (второй по умолчанию равен std::memory_order_seq_cst), так и с двумя.

Операции над типом std::atomic_flagнарушают традицию, поскольку в именах функций присутствует дополнительное слово «flag»: std::atomic_flag_test_and_set(), std::atomic_flag_clear(), но у вариантов с параметрами, задающими упорядочение доступа, суффикс _explicitпо-прежнему имеется: std::atomic_flag_test_and_set_explicit()и std::atomic_flag_clear_explicit().

В стандартной библиотеке С++ имеются также свободные функции для атомарного доступа к экземплярам типа std::shared_ptr<>. Это отход от принципа, согласно которому атомарные операции поддерживаются только для атомарных типов, поскольку тип std::shared_ptr<>заведомо не атомарный. Однако комитет по стандартизации С++ счел этот случай достаточно важным, чтобы предоставить дополнительные функции. К числу определенных для него атомарных операций относятся загрузка , сохранение , обмен и сравнение с обменом , и реализованы они в виде перегрузок тех же операций над стандартными атомарными типами, в которых первым аргументом является указатель std::shared_ptr<>*:

std::shared_ptr p;

void process_global_data() {

std::shared_ptr local = std::atomic_load(&p);

process_data(local);

}

void update_global_data() {

std::shared_ptr local(new my_data);

std::atomic_store(&p, local);

}

Как и для атомарных операций над другими типами, предоставляются _explicit-варианты, позволяющие задать необходимое упорядочение, а для проверки того, используется ли в реализации внутренняя блокировка, имеется функция std::atomic_is_lock_free().

Как отмечалось во введении, стандартные атомарные типы позволяют не только избежать неопределённого поведения, связанного с гонкой за данные; они еще дают возможность задать порядок операций в потоках. Принудительное упорядочение лежит в основе таких средств защиты данных и синхронизации операций, как std::mutexи std::future<>. Помня об этом, перейдём к материалу, составляющему главное содержание этой главы: аспектам модели памяти, относящимся к параллелизму, и тому, как с помощью атомарных операций можно синхронизировать данные и навязать порядок доступа к памяти.

Пусть имеются два потока, один из которых заполняет структуру данных, а другой читает ее. Чтобы избежать проблематичного состояния гонки, первый поток устанавливает флаг, означающий, что данные готовы, а второй не приступает к чтению данных, пока этот флаг не установлен. Описанный сценарий демонстрируется в листинге ниже.

Листинг 5.2.Запись и чтение переменной в разных потоках

#include

#include

#include

std::vector data;

std::atomic data_ready(false);

void reader_thread() {

while (!data_ready.load()) { ← (1)

std::this_thread::sleep(std::milliseconds(1));

}

std::cout << "Ответ=" << data[0] << "\n";← (2)

}

void writer_thread() {

data.push_back(42); ← (3)

data_ready = true; ← (4)

}

Оставим пока в стороне вопрос о неэффективности цикла ожидания готовности данных (1). Для работы этой программы он действительно необходим, потому что в противном случае разделение данных между потоками становится практически бесполезным: каждый элемент данных должен быть атомарным. Вы уже знаете, что неатомарные операции чтения (2)и записи (3)одних и тех же данных без принудительного упорядочения приводят к неопределённому поведению, поэтому где-то упорядочение должно производиться, иначе ничего работать не будет.

Требуемое упорядочение обеспечивают операции с переменной data_readyтипа std::atomicи делается это благодаря отношениям происходит-раньше и синхронизируется-с , заложенным в модель памяти. Запись данных (3)происходит-раньше записи флага data_ready (4), а чтение флага (1)происходит-раньше чтения данных (2). Когда прочитанное значение data_ready (1)равно true, операция записи синхронизируется-с этой операцией чтения, что приводит к порождению отношения происходит-раньше. Поскольку отношение происходит-раньше транзитивно, то запись данных (3)происходит-раньше записи флага (4), которая происходит-раньше чтения значения trueиз этого флага (1), которое в свою очередь происходит-раньше чтения данных (2). И таким образом мы получаем принудительное упорядочение: запись данных происходит-раньше чтения данных, и программа работает правильно. На рис. 5.2 изображены важные отношения происходит-раньше в обоих потоках. Я включил две итерации цикла whileв потоке-читателе.