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

Но это просто пересказ другими словами давно известных вам правил упорядочения в однопоточной программе. А где же новое? Новым является взаимодействие между потоками: если операция А в одном потоке межпоточно происходит-раньше операции В в другом потоке, то А происходит-раньше В. Вроде бы толку немного, мы просто добавили новое отношение (межпоточно происходит-раньше), но при написании многопоточной программы это отношение оказывается очень важным.

На понятийном уровне отношение межпоточно происходит-раньше довольно простое, оно опирается на отношение синхронизируется-с, введенное в разделе 5.3.1: если операция А в одном потоке синхронизируется-с операцией В в другом потоке, то А межпоточно происходит-раньше В. Это отношение также транзитивно: если А межпоточно происходит-раньше В, а В межпоточно происходит-раньше С, то А межпоточно происходит-раньше С. Это мы тоже видели в листинге 5.2.

Отношение межпоточно происходит-раньше также комбинируется с отношением расположено-перед: если операция А расположена перед операцией В и операция В межпоточно происходит-раньше операции С, то А межпоточно происходит-раньше С. Аналогично, если А синхронизируется-с В и В расположена-перед С, то А межпоточно происходит-раньше С. В совокупности эти два утверждения означают, что если произведена серия изменений данных в одном потоке, то нужно только одно отношение синхронизируется-с, чтобы данные стали видимы последующим операциям в потоке, где выполнена С.

Именно эти критически важные правила и обеспечивают упорядоченность операций между потоками, благодаря чему программа в листинге 5.2 работает правильно. Как мы скоро увидим, существуют дополнительные нюансы, связанные с зависимостями между данными. Чтобы разобраться в них, мне нужно будет рассмотреть признаки упорядочения доступа к памяти, используемые в атомарных операциях, и рассказать, как они связаны с отношением синхронизируется-с.

Существует шесть вариантов упорядочения доступа к памяти, которые можно задавать в операциях над атомарными типами: memory_order_relaxed, memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_relи memory_order_seq_cst. Если не указано противное, то для любой операции над атомарными типами подразумевается упорядочение memory_order_seq_cst— самое ограничительное из всех. Хотя вариантов шесть, представляют они всего три модели: последовательно согласованное упорядочение ( memory_order_seq_cst), упорядочение захват-освобождение ( memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_releaseи memory_order_acq_rel) и ослабленное упорядочение ( memory_order_relaxed).

Эти три модели упорядочения доступа к памяти влекут за собой различные издержки для процессоров с разной архитектурой. Например, в системах с точным контролем над видимостью операций процессорами, отличными от произведшего изменения, могут потребоваться дополнительные команды синхронизации для обеспечения последовательно согласованного упорядочения по сравнению с ослабленным или упорядочением захват-освобождение, а также для обеспечения упорядочения захват-освобождение по сравнению с ослабленным. Если в такой системе много процессоров, то на выполнение дополнительных команд синхронизации может уходить заметное время, что приведет к снижению общей производительности системы. С другой стороны, процессоры с архитектурой x86 или x86-64 (в частности, Intel и AMD, столь распространенные в настольных ПК) не требуют никаких дополнительных команд для обеспечения упорядочения захват-освобождение, помимо необходимых для гарантий атомарности, и даже последовательно согласованное упорядочение не нуждается в каких-то специальных действиях на операциях загрузки, хотя операции сохранения все же требуют некоторых добавочных затрат.

Наличие различных моделей упорядочения доступа к памяти позволяет эксперту добиться повышения производительности за счет более точного управления отношениями упорядочения там, где это имеет смысл, и в то же время использовать последовательно согласованное упорядочение (которое гораздо проще для понимания) в случаях, когда такой выигрыш не критичен.

Чтобы выбрать подходящую модель, нужно понимать, каковы последствия того или иного решения для поведения программы. Поэтому рассмотрим, какое влияние оказывают различные модели на упорядочение операций и отношение синхронизируется-с.