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

if (data_queue.empty())

return false;

value = std::move(*data_queue.front()); ← (2)

data_queue.pop();

return true;

}

std::shared_ptr wait_and_pop() {

std::unique_lock lk(mut);

data_cond.wait(lk, [this]{return !data_queue.empty();});

std::shared_ptr res = data_queue.front(); ← (3)

data_queue.pop();

return res;

}

std::shared_ptr try_pop() {

std::lock_guard lk(mut);

if (data_queue.empty())

return std::shared_ptr();

std::shared_ptr res = data_queue.front(); ← (4)

data_queue.pop();

return res;

}

void push(T new_value) {

std::shared_ptr data(

std::make_shared(std::move(new_value))); ← (5)

std::lock_guard lk(mut);

data_queue.push(data);

data_cond.notify_one();

}

bool empty() const {

std::lock_guard lk(mut);

return data_queue.empty();

}

};

Последствия хранения данных, обернутых в std::shared_ptr<>, понятны: функции pop, которые получают значение из очереди в виде ссылки на переменную, теперь должны разыменовывать указатель (1), (2), а функции pop, которые возвращают std::shared_ptr<>, теперь могут напрямую извлекать его из очереди (3), (4)без дальнейших манипуляций.

У хранения данных в виде std::shared_ptr<>есть и еще одно преимущество: выделение памяти для нового объекта можно производить не под защитой блокировки в push() (5), тогда как в листинге 6.2 это приходилось делать в защищенном участке кода внутри pop(). Поскольку выделение памяти, вообще говоря, дорогая операция, это изменение весьма благотворно скажется на общей производительности очереди, так как уменьшается время удержания мьютекса, а, значит, у остальных потоков остается больше времени на полезную работу.

Как и в примере стека, применение мьютекса для защиты всей структуры данных ограничивает возможности распараллеливания работы с очередью; хотя ожидать доступа к очереди могут несколько потоков, выполняющих разные функции, в каждый момент лишь один совершает какие-то действия. Однако это ограничение отчасти проистекает из того, что мы пользуемся классом std::queue<>, — стандартный контейнер составляет единый элемент данных, который либо защищен, либо нет. Полностью взяв на себя управление деталями реализации структуры данных, мы сможем обеспечить мелкогранулярные блокировки и повысить уровень параллелизма.

В листингах 6.2 и 6.3 имеется только один защищаемый элемент данных ( data_queue) и, следовательно, только один мьютекс. Чтобы воспользоваться мелкогранулярными блокировками, мы должны заглянуть внутрь очереди и связать мьютекс с каждым хранящимся в ней элементом данных.

Проще всего реализовать очередь в виде односвязного списка, как показано на рис. 6.1. Указатель head направлен на первый элемент списка, и каждый элемент указывает на следующий. Когда данные извлекаются из очереди, в head записывается указатель на следующий элемент, после чего возвращается элемент, который до этого был в начале.

Добавление данных производится с другого конца. Для этого нам необходим указатель tail , направленный на последний элемент списка. Чтобы добавить узел, мы записываем в поле next в последнем элементе указатель на новый узел, после чего изменяем указатель tail , так чтобы он адресовал новый элемент. Если список пуст, то оба указателя head и tail равны NULL.

В следующем листинге показана простая реализация такой очереди с урезанным по сравнению с листингом 6.2 интерфейсом; мы оставили только функцию try_pop()и убрали функцию wait_and_pop(), потому что эта очередь поддерживает только однопоточную работу.

Рис. 6.1.Очередь, представленная в виде односвязного списка

Листинг 6.4.Простая реализация однопоточной очереди

template

class queue {

private:

struct node {

T data;

std::unique_ptr next;

node(T data_):

data(std::move(data_)) {}

};

std::unique_ptr head;← (1)

node* tail; ← (2)

public:

queue() {}

queue(const queue& other) = delete;

queue& operator=(const queue& other) = delete;

std::shared_ptr try_pop() {

if (!head) {

return std::shared_ptr();

}

std::shared_ptr const res(

std::make_shared(std::move(head->data)));