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

Теперь представьте, что имеется целый ряд боксов, в каждом из которых сидит по человеку с блокнотом и телефоном. Это всё наши атомарные переменные. У каждой переменной свой порядок модификации (список значений в блокноте), по между ними нет никакой связи. Если каждый звонящий (вы, Карл, Анна, Дэйв и Фред) представляет поток, то именно такая картина наблюдается, когда все операции работают в режиме memory_order_relaxed. К человеку, сидящему в боксе, можно обращаться и с другими просьбами, например: «запиши это число и скажи мне, что находится в конце списка» ( exchange) или «запиши это число, если число в конце списка равно тому , в противном случае скажи мне, что я должен был бы предположить» ( compare_exchange_strong), но общий принцип при этом не изменяется.

Применив эту метафору к программе в листинге 5.5, можно сказать, что write_x_then_yозначает, что некто позвонил человеку в боксе x, попросил его записать true, а потом позвонил человеку в боксе yи попросил его записать true. Поток, выполняющий функцию read_y_then_x, раз за разом звонит человеку в боксе yи спрашивает значение, пока не услышит true, после чего звонит человеку в боксе xи спрашивает значение у него. Человек в боксе xне обязан сообщать вам какое-то конкретное значение из своего списка и с полным правом может назвать false.

Из-за этого с ослабленными атомарными операциями трудно иметь дело. Чтобы они были полезны для межпоточной синхронизации, их нужно сочетать с атомарными операциями, работающими в режиме с более строгой семантикой упорядочения. Я настоятельно рекомендую вообще избегать ослабленных атомарных операций, если без них можно обойтись, а, если никак нельзя, то использовать крайне осторожно. Учитывая, насколько интуитивно неочевидные результаты получились в листинге 5.5 при наличии всего двух потоков и двух переменных, нетрудно представить себе сложности, с которыми придется столкнуться, когда потоков и переменных станет больше.

Один из способов организовать дополнительную синхронизацию, не прибегая к последовательной согласованности, — воспользоваться упорядочением захват-освобождение.

Упорядочение захват-освобождение — шаг от ослабленного упорядочения в сторону большего порядка; полной упорядоченности операций еще нет, но какая-то синхронизация уже возможна. При такой модели атомарные операции загрузки являются операциями захвата ( memory_order_acquire), атомарные операции сохранения — операциями освобождения ( memory_order_release), а атомарные операции чтения-модификации-записи (например, fetch_add()или exchange()) — операциями захвата , освобождения или того и другого ( memory_order_acq_rel). Синхронизация попарная — между потоком, выполнившим захват, и потоком, выполнившим освобождение. Операция освобождения синхронизируется-с операцией захвата, которая читает записанное значение. Это означает, что различные потоки могут видеть операции в разном порядке, но возможны все-таки не любые порядки. В следующем листинге показала программа из листинга 5.4, переработанная под семантику захвата-освобождения вместо семантики последовательной согласованности.

Листинг 5.7.Из семантики захвата-освобождения не вытекает полная упорядоченность

#include

#include

#include

std::atomic x, y;

std::atomic z;

void write_x() {

x.store(true, std::memory_order_release);

}

void write_y() {

y.store(true, std::memory_order_release);

}

void read_x_then_y() {

while (!x.load(std::memory_order_acquire));

if (y.load(std::memory_order_acquire)) ← (1)

++z;

}

void read_y_then_x() {

while (!y.load(std::memory_order_acquire));

if (x.load(std::memory_order_acquire)) ← (2)

++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); ← (3)

}

В данном случае утверждение (3) может сработать (как и в случае ослабленного упорядочения), потому что обе операции загрузки — x (2)и y (1)могут прочитать значение false. Запись в переменные xи yпроизводится из разных потоков, но упорядоченность между освобождением и захватом в одном потоке никак не отражается на операциях в других потоках.