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

Но проектирование с учетом параллелизма этим не исчерпывается: задача заключается в том, чтобы предоставить возможность распараллеливания потокам, обращающимся к структуре данных. По природе своей, мьютекс означает взаимное исключение : в каждый момент времени только один поток может захватить мьютекс. Следовательно, мьютекс защищает структуру данных, явным образом предотвращая истинно параллельный доступ к ней.

Это называется сериализацией : потоки обращаются к защищенным мьютексом данным по очереди, то есть последовательно, а не параллельно. Чтобы обеспечить истинно параллельный доступ, нужно тщательно продумывать внутреннее устройство структуры данных. Одни структуры данных оставляют больший простор для распараллеливания, чем другие, но идея остается неизменной: чем меньше защищаемая область, тем меньше операций приходится сериализовывать и тем больше потенциал для распараллеливания.

Прежде чем знакомиться с конкретными структурами данных, приведём несколько простых рекомендаций, полезных при проектировании с учетом параллелизма.

Как я уже отмечал, при проектировании структур данных для параллельного доступа нужно учитывать два аспекта: обеспечить безопасность доступа и разрешить истинно параллельный доступ. Как сделать структуру потокобезопасной, я уже рассказывал в главе 3.

• Гарантировать, что ни один поток не может увидеть состояние, в котором инварианты структуры данных нарушены действиями со стороны других потоков.

• Позаботиться о предотвращении состояний гонки, внутренне присущих структуре данных, предоставив такие функции, которые выполняли бы операции целиком, а не частями.

• Обращать внимание на том, как ведет себя структура данных при наличии исключений, — не допускать нарушения инвариантов и в этом случае.

• Минимизировать шансы возникновения взаимоблокировки, ограничивая область действия блокировок и избегая но возможности вложенных блокировок.

Прежде чем задумываться об этих деталях, важно решить, какие ограничения вы собираетесь наложить на использование структуры данных: если некоторый поток обращается к структуре с помощью некоторой функции, то какие функции можно в этот момент безопасно вызывать из других потоков?

Это на самом деле весьма важный вопрос. Обычно конструкторы и деструкторы нуждаются в монопольном доступе к структуре данных, но обязанность не обращаться к структуре до завершения конструирования или после начала уничтожения возлагается на пользователя. Если структура поддерживает присваивание, функцию swap()или копирующий конструктор, то проектировщик должен решить, безопасно ли вызывать эти операции одновременно с другими или пользователь должен обеспечить на время их выполнения монопольный доступ, хотя большинство других операций можно без опаски выполнять параллельно из разных потоков.

Второй аспект, нуждающийся в рассмотрении, — обеспечение истинно параллельного доступа. Тут я не могу предложить конкретных рекомендаций, а вместо этого перечислю несколько вопросов, которые должен задать себе проектировщик структуры данных.

• Можно ли ограничить область действия блокировок, так чтобы некоторые части операции выполнялись не под защитой блокировки?

• Можно ли защитить разные части структуры данных разными мьютексами?

• Все ли операции нуждаются в одинаковом уровне защиты?

• Можно ли с помощью простого изменения структуры данных расширить возможности распараллеливания, не затрагивая семантику операций?

В основе всех этих вопросов лежит одна и та же мысль: как свести к минимуму необходимую сериализацию и обеспечить максимально возможную степень истинного параллелизма? Часто бывает так, что структура данных допускает одновременный доступ из нескольких потоков для чтения, но поток, желающий модифицировать данные, должен получать монопольный доступ. Такое требование поддерживает класс boost::shared_mutexи ему подобные. Как мы скоро увидим, встречается и другой случай: поддерживается одновременный доступ из потоков, выполняющих различные операции над структурой, но потоки, выполняющие одну и ту же операцию, сериализуются.

В простейших потокобезопасных структурах данных обычно для защиты используются мьютексы и блокировки. Хотя, как мы видели в главе 3, им свойственны некоторые проблемы, но гарантировать с их помощью, что в каждый момент времени доступ к данным будет иметь только один поток, сравнительно легко. Мы будем знакомиться с проектированием потокобезопасных структур данных постепенно, и в этой главе рассмотрим только структуры на основе блокировок. А разговор о параллельных структурах данных без блокировок отложим до главы 7.