Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

const int D = 10;

unsigned int T = 2;

static sem_t sem;

pthread_t* tid;

void* writer(void* data) {

unsigned long i = (int)(data); // общий размер выборки

unsigned int s = 1;

while (i-- > 0) {

delay((long)rand_r(&s) * D / RAND_MAX + 1);

sem_post(&sem); // объект данных произведен

}

for (i = 0; i < T; i++) pthread_cancel(tid[i + 1]);

return NULL;

}

static char *str; // строка результирующей диагностики

static volatile unsigned ind = 0;

void* reader(void*) {

char tid[8];

sprintf(tid, "%X", pthread_self());

unsigned int s = rand();

pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, NULL);

while(true) {

sem_wait(&sem); // получен объект данных

str[atomic_add_value(&ind, 1)] = *tid;

pthread_testcancel();

delay((long)rand_r(&s) * D * T / RAND_MAX + 1);

}

return NULL;

}

int main(int argc, char *argv[]) {

unsigned long N = 1000;

int opt, val;

while ((opt = getopt(argc, argv, "n:t:")) != -1) {

switch(opt) {

case 'n':

if (sscanf(optarg, "%i", &val) != 1)

cout << "parse command line error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

if (val > 0) N = val;

break;

case 't':

if (sscanf(optarg, "%i", &val) != 1)

cout << "parse command line error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

if (val > 0) T = val;

break;

default:

exit(EXIT_FAILURE);

}

}

str = new char[N + 1];

tid = new pthread_t[T + 1];

if (sem_init(&sem, 0, 0))

perror("semaphore init"), exit(EXIT_FAILURE);

if (pthread_create(tid, NULL, writer, (void*)N) >= EOK)

perror("writer create error"), exit(EXIT_FAILURE);

for (int i = 0; i < T; i++)

if (pthread_create(tid + i + 1, NULL, reader, NULL) != EOK)

perror("reader create error"), exit(EXIT_FAILURE);

for (int i = 0; i < T; i++)

pthread_join(tid[i], NULL);

sem_destroy(&sem);

delete [] tid;

str[ind] = '\0';

cout << str << endl;

delete [] str;

exit(EXIT_SUCCESS);

}

Вот как выглядит результат выполнения этой программы (во избежание внесения дополнительного синхронизма в качестве общего числа циклов «производства» и числа потоков потребителей выбраны взаимно простые числа):

# sy22 -n200 -t13

3456789ABCDEF7936A8547E39DCB45F67A59B84D37EC64F395B6AEF78B9DF34CB53B86A5FEDF975B3A8EC46FB8AD954736FA78C3ED46F7B594EC7B83AC6F9D4BCE569A73F86BCAD74C536EB79F5C8DA5B463EFBC7D937AEC85FDE4566CAF69DE7F385CA6

Хорошо видно, как строго последовательный поначалу порядок доступа потребителей к объектам данных десинхронизируется и становится хаотическим: каждый освободившийся потребитель приступает к работе над следующим объектом данных, как только тот становится доступен.

Атомарные операции не относятся к элементам синхронизации параллельных ветвей программы. Но им следует уделить внимание по двум причинам. Во-первых, атомарные операции — это простое и эффективное средство, позволяющее во многих случаях избежать использования механизмов синхронизации. А во-вторых, атомарные операции зачастую выпадают из рассмотрения из-за их двойственного положения: при обсуждении параллелизма и синхронизации они не рассматриваются, потому что не являются элементами синхронизации, а при обсуждении последовательных программ не рассматриваются потому, что здесь в них просто нет необходимости.

Атомарные операции — это операции, для которых гарантируется их непрерываемость даже при выполнении на симметричных мультипроцессорных платформах. Выполнение атомарных операций не прерывается даже асинхронными аппаратными прерываниями. Таким образом, эта группа операций является также и безопасной в многопоточном окружении.

Действительно, наиболее часто примитивы синхронизации применяются для создания критической секции кода с целью предотвращения возможности одновременного воздействия на объекты данных со стороны нескольких параллельно развивающихся ветвей программы.

При одновременной работе с данными из различных потоков состояние данных после такого воздействия должно считаться «неопределенным», при этом последствия могут быть более тяжкими, чем просто некорректное состояние данных - структура сложных объектов может быть просто разрушена.

В многопоточной среде элементарные и привычные операции могут таить в себе опасности. Действительно, простейший оператор вида:

i = i + 1;

содержит в себе опасность, если этот оператор записан в функции потока, выполняемой несколькими экземплярами потоков (совершенно типичный случай). Не менее опасен, но менее очевиден по внешнему виду и оператор:

i += 1;

Даже операторы инкремента и декремента ( ++iи --i), которые в системе команд практически всех типов процессоров выполняются как атомарные и которые являются основой для реализации семафорных операций, в симметричной мультипроцессорной архитектуре перестают быть безопасными. Хуже того, привычные программисту операции стандартной библиотеки и просто синтаксические конструкции языка становятся небезопасными в многопоточной среде. Вот еще два примера:

1. Оператор копирования нетипизированного блока памяти, безбоязненно используемый десятилетиями:

void* memcpy(void* dst, const void* src, size_t length);

2. Операторы присваивания, инициализации или сравнения структурированных объектов данных:

struct X {

X(const X& y) { ... }

friend bool operator==(const X& f, const X& s) { ... }

// оператор присваивания мы не переопределяем, используется

// присваивание по умолчанию - побайтовое копирование

};

...

X A;

...

X B(А); // потенциальная ошибка

...

B = A; // потенциальная ошибка

if (А == В) { ... } // потенциальная ошибка

Обратите внимание, что все объекты данных, для которых могут наблюдаться обсуждаемые эффекты, должны быть доступны вне потока, то есть быть глобальными с точки зрения видимости в потоке.

Именно для безопасного манипулирования данными в параллельной среде QNX API и вводятся атомарные операции. Десять атомарных функций делятся на две симметричные группы по виду своего именования и логике функционирования. Все атомарные операции осуществляются только над одним типом данных unsigned int, но, как будет показано далее, это не такое уж и сильное ограничение. Сам объект, над которым осуществляется атомарная операция (типа unsigned int), — это самая обычная переменная целочисленного типа, только описанная с квалификатором volatile.

Помимо атомарных операций над этой переменной могут выполняться любые другие действия, которые можно считать безопасными в многопоточной среде: инициализация, присваивание значений, сравнения. Более того, при выходе программы за область возможного многопоточного доступа к этой переменной она может далее использоваться любым традиционным и привычным образом.