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

Упорядочение по умолчанию называется последовательно согласованным , потому что оно предполагает, что поведение программы согласовано с простым последовательным взглядом на мир. Если все операции над экземплярами атомарных типов последовательно согласованы, то поведение многопоточной программы такое же, как если бы эти операции выполнялись в какой-то определенной последовательности в одном потоке. Это самое простое для понимания упорядочение доступа к памяти, потому оно и подразумевается по умолчанию: все потоки должны видеть один и тот же порядок операций. Таким образом, становится достаточно легко рассуждать о поведении программы, написанной с использованием атомарных переменных. Можно выписать все возможные последовательности операций, выполняемых разными потоками, отбросить несогласованные и проверить, что в остальных случаях программа ведет себя, как и ожидалось. Это также означает, что порядок операций нельзя изменять; если в каком-то потоке одна операция предшествует другой, то этот порядок должен быть виден всем остальным потокам.

С точки зрения синхронизации, последовательно согласованное сохранение синхронизируется-с последовательно согласованной операцией загрузки той же переменной, в которой читается сохраненное значение. Тем самым мы получаем одно ограничение на упорядочение операций в двух или более потоках. Однако этим последовательная согласованность не исчерпывается. Любая последовательно согласованная операция, выполненная после этой загрузки, должна быть видна всякому другому потоку в системе с последовательно согласованными атомарными операциями именно как следующая за загрузкой. Пример в листинге 5.4 демонстрирует это ограничение на упорядочение в действии. Однако это ограничение не распространяется на потоки, в которых для атомарных операций задано ослабленное упорядочение — они по-прежнему могут видеть операции в другом порядке. Поэтому, чтобы получить пользу от последовательного согласования операций, его надо использовать во всех потоках.

Но за простоту понимания приходится платить. На машине со слабым упорядочением и большим количеством процессоров может наблюдаться заметное снижение производительности, потому что для поддержания согласованной последовательности операций, возможно, придётся часто выполнять дорогостоящие операции синхронизации процессоров. Вместе с тем следует отметить, что некоторые архитектуры процессоров (в частности, такие распространенные, как x86 и x86-64) обеспечивают последовательную согласованность с относительно низкими издержками, так что если вас волнует влияние последовательно согласованного упорядочения на производительность, ознакомьтесь с документацией но конкретному процессору.

В следующем листинге последовательная согласованность демонстрируется на примере. Операции загрузки и сохранения переменных xи yявно помечены признаком memory_order_seq_cst, хотя его можно было бы и опустить, так как он подразумевается по умолчанию.

Листинг 5.4.Из последовательной согласованности вытекает полная упорядоченность

#include

#include

#include

std::atomic x, y;

std::atomic z;

void write_x() {

x.store(true, std::memory_order_seq_cst); ← (1)

}

void write_y() {

y.store(true, std::memory_order_seq_cst); ← (2)

}

void read_x_then_y() {

while (!x.load(std::memory_order_seq_cst));← (3)

if (y.load(std::memory_order_seq_cst))

++z;

}

void read_y_then_x() {

while (!y.load(std::memory_order_seq_cst));← (4)

if (x.load(std::memory_order_seq_cst))

++z;

}

int main() {

x = false;

y = false;

z = 0;

std::thread a(write_x);

std::thread b(write_y);

std::thread с(read_x_then_y);

std::thread d(read_y_then_x);

a.join();

b.join();

c.join();

d.join();

assert(z.load() != 0); ← (5)

}

Утверждение assert (5)не может сработать, потому что первым должно произойти сохранение x (1)или сохранение y (2), пусть даже точно не сказано, какое именно. Если загрузка yв функции read_x_then_y (3)возвращает false, то сохранение xдолжно было произойти раньше сохранения y, и в таком случае загрузка xв read_y_then_x (4)должна вернуть true, потому что наличие цикла whileгарантирует, что в этой точке уравно true. Поскольку семантика memory_order_seq_cstтребует полного упорядочения всех операций, помеченных признаком memory_order_seq_cst, то существует подразумеваемое отношение порядка между операцией загрузки y, которая возвращает false (3), и операцией сохранения y (1). Чтобы имело место единственное полное упорядочение в случае, когда некоторый поток сначала видит x==true, затем y==false, необходимо, чтобы при таком упорядочении сохранение xпроисходило раньше сохранения y.