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

Рис. 5.2.Принудительное задание упорядочения неатомарных операций с помощью атомарных

Все это может показаться интуитивно очевидным — разумеется, операция записи значения происходит раньше операции его чтения! В случае атомарных операций по умолчанию это действительно так (на то и умолчания), однако подчеркну: у атомарных операций есть и другие возможности для задания требований к упорядочению, и скоро я о них расскажу.

Теперь, когда вы видели, как отношения происходит-раньше и синхронизируется-с работают на практике, имеет смысл поговорить о том, что же за ними стоит. Начнем с отношения синхронизируется-с.

Отношение синхронизируется-с возможно только между операциями над атомарными типами. Операции над структурой данных (например, захват мьютекса) могут обеспечить это отношение, если в структуре имеются атомарные типы и определенные в ней операции выполняют необходимые атомарные операции. Однако реальным источником синхронизации всегда являются операции над атомарными типами.

Идея такова: подходящим образом помеченная атомарная операция записи Wнад переменной xсинхронизируется-с подходящим образом помеченной атомарной операцией чтения над переменной x, которая читает значение, сохраненное либо данной операцией записи ( W), либо следующей за ней атомарной операцией записи над xв том же потоке, который выполнил первоначальную операцию W,либо последовательностью атомарных операций чтения-модификации-записи над x(например, fetch_add()или compare_exchange_weak()) в любом потоке, при условии, что значение, прочитанное первым потоком в этой последовательности, является значением, записанным операцией W(см. раздел 5.3.4).

Пока оставим в стороне слова «подходящим образом помеченная», потому что по умолчанию все операции над атомарными типами помечены подходящим образом. По существу сказанное выше означает ровно то, что вы ожидаете: если поток А сохраняет значение, а поток В читает это значение, то существует отношение синхронизируется-с между сохранением в потоке А и загрузкой в потоке В — как в листинге 5.2.

Уверен, вы догадались, что нюансы как раз и скрываются за словами «подходящим образом помеченная». Модель памяти в С++ допускает применение различных ограничений на упорядочение к операциям над атомарными типами, и именно это и называется пометкой. Варианты упорядочения доступа к памяти и их связь с отношением синхронизируется-с рассматриваются в разделе 5.3.3. А пока отступим на один шаг и поговорим об отношении происходит-раньше.

Отношение происходит-раньше — основной строительный блок механизма упорядочения операций в программе. Оно определяет, какие операции видят последствия других операций и каких именно. В однопоточной программе всё просто: если в последовательности выполняемых операций одна стоит раньше другой, то она и происходит-раньше. Иначе говоря, если операция А в исходном коде предшествует операции В, то А происходит-раньше В. Это мы видели в листинге 5.2: запись в переменную data (3)происходит-раньше записи в переменную data_ready (4). В общем случае между операциями, которые входят в состав одного предложения языка, нет отношения происходит-раньше, поскольку они не упорядочены. По-другому то же самое можно выразить, сказав, что порядок не определён. Мы знаем, что программа, приведённая в следующем листинге, напечатает " 1,2" или " 2,1", но что именно, неизвестно, потому что порядок двух обращений к get_num()не определён.

Листинг 5.3.Порядок определения аргументов функции не определён

#include

void foo(int a, int b) {

std::cout << a << "," << b << std::endl;

}

int get_num() {

static int i = 0;

return ++i;

}

int main() {

foo(get_num(), get_num());←┐ Порядок обращений

} │ к get_num() не определен

Существуют случаи, когда порядок операций внутри одного предложения точно известен, например, если используется встроенный оператор «занятая» или результат одного выражения является аргументом другого выражения. Но в общем случае никакого отношения расположено-перед (а, значит, и отношения происходит-раньше) между ними не существует. Разумеется, все операции в одном предложении происходят раньше всех операций в следующем за ним предложении.