Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Важно также отметить, что термин «атомарность» относится не к особым свойствам некоторого объекта данных, а к ограниченному ряду операций, которые можно безопасно выполнять над этим объектом в многопоточной среде.

Общий вид прототипов каждой из двух групп атомарных операций следующий:

void atomic_*(volatile unsigned *D, unsigned S);

unsigned atomic_*_value(volatile unsigned *D, unsigned S);

где вместо *должно стоять имя одной из пяти операций (таким алгоритмом и обеспечивается 10 различных атомарных функций):

add— добавить численное значение к операнду;

sub— вычесть численное значение из операнда;

clr— очистить битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) &= ~S);

set— установить битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) |= S);

toggle— инвертировать битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) ^= S);

D— именно тот объект, над которым осуществляется атомарная операция;

S— второй операнд осуществляемой операции.

Две формы атомарных функций для каждой операции отличаются тем, что первая из них выполняет операцию без возврата значения, а вторая возвращает значение, которое операнд Dимел до выполнения операции (т.e. прежнее значение, как это делают, например, префиксные операции инкремента ++Dи декремента --D, в отличие от постфиксных D++и D--).

Зачем нужны две формы для операции? Техническая документация QNX утверждает, что вторая форма может выполняться дольше. Справедливость этого утверждения и насколько дольше выполняется вторая форма, мы скоро увидим на примерах.

Итак, у нас есть 10 функций для выполнения пяти атомарных операций:

atomic_add() atomic_add_value()

atomic_sub() atomic_sub_value()

atomic_clr() atomic_clr_value()

atomic_set() atomic_set_value()

atomic_toggle() atomic_toggle_value()

Как используются атомарные операции? Обычно для предотвращения одновременного изменения некоторого счетчика индекса мы вынуждены создавать критическую секцию, обозначая ее, скажем, операциями над мьютексом. В частности, в следующем примере нам необходимо из различных потоков последовательно дописывать некоторые байтовые результаты в единый буфер:

// глобальные описания, доступные всем потокам

const unsigned int N = ...

uint8_t buf[N];

// индекс текущей позиции записи

unsigned int ind = 0;

// общий мьютекс, доступный каждому из потоков

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

...

// выполняется в каждом из потоков:

uint8_t res[M]; // результат некоторой операции

unsigned int how = ... // реальная длина этого результата

pthread_mutex_lock(&mutex);

memcpy((void*)buf + ind, (void*)res, how);

ind += how;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

Используя атомарные операции, мы можем этот процесс записать так (все глобальные описания остаются неизменными):

// глобальные описания, доступные всем потокам

...

// индекс текущей позиции записи

volatile unsigned int ind = 0;

...

// выполняется в каждом из потоков:

uint8_t res[M]; // результат некоторой операции

unsigned int how = ... // реальная длина этого результата

memcpy((void*)buf + atomic_add_value(ind, how), (void*)res, how);

Или даже так:

// глобальные описания, доступные всем потокам

...

// указательтекущей позиции записи:

volatile unsigned int ind = (unsigned int)buf;

...

// выполняется в каждом из потоков:

memcpy((void*)atomic_add_value(ind, how), (void*)res, how);

В последнем случае это, конечно, трюкачество, построенное на том, что в 32-разрядной архитектуре представления указателя и переменной unsigned intсовпадают, но это «работающее трюкачество» и работающее иногда весьма эффективно.

Техника применения атомарных операций оказывается крайне удобной, например, при осуществлении вывода, часто диагностического, из различных потоков. Положим, нам нужно в каждом из многих потоков выводить диагностическую строку при достижении ими определенной точки исполнения:

cout << "Это вывод потока " << pthread_self() << endl;

Но так делать нельзя: при таком решении у нас появляются 2 проблемы, одна из которых очевидна, а другая — не очень:

1. Выводы разных потоков могут «смешиваться»; более того, за счет буферизации вывода некоторые «рваные» фрагменты мы будем наблюдать дважды. Одним словом, наш вывод окажется полностью «нечитабельным».

2. При осуществлении вывода в контексте потока почти наверняка в процессе вывода будут выполняться системные вызовы, которые потребуют новой диспетчеризации и приведут к вытеснению исходного потока. При этом порядок передачи управления от потока к потоку при наличии отладочного вывода будет отличаться от порядка при его отсутствии. А это, наверное, не совсем то, что мы ожидали. В результате при наличии отладочного вывода мы можем наблюдать совсем не ту картину, для изучения которой этот вывод, собственно, и предназначен.

Эти эффекты не связаны с какой-то конкретной формой вывода, такой как вывод в поток, показанный выше; точно так же будет вести себя и традиционный вызов printf(...).

Проблема очень просто решается, если вместо непосредственного вывода из потоков последовательно сбрасывать все сообщения в промежуточный буфер, который будет выводиться в те периоды времени программы, когда запись в него не производится:

const int N = ... , M = ...;

char buf[N];

volatile unsigned ind = 0;

...

// а вот это производится из каждого потока

char tbuf[M];

sprintf(tbuf, "Это вывод потока %X", pthread_self());

strcpy(buf + atomic_add_value(ind, strlen(tbuf)), tbuf);

И наконец, последнее: есть ли смысл во введении этого дополнительного механизма, если всегда существует альтернативная форма организации такой же защиты доступа посредством критической секции (например, при использовании мьютекса)? Сравним ( файл a1.cc ) временные затраты при многократном изменении значения переменной для случаев атомарных операций и критической секции на базе мьютекса (мы берем именно мьютекс, потому что из всех примитивов синхронизации он самый низкоуровневый и быстрый):

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

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

uint64_t N = 100000;

bool atom = false, value = false;

int opt, val;

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

switch(opt) {

case 'n': // количество повторений

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

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