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

Если стек защищен внутренним мьютексом, то в каждый момент времени лишь один поток может исполнять любую функцию-член стека, поэтому обращения к функциям-членам строго чередуются, тогда как вызовы do_something()могут исполняться параллельно. Вот одна из возможных последовательностей выполнения:

Поток А - - Поток В

if (!s.empty())

if (!s.empty())

int const value = s.top();

int const value = s.top();

s.pop();

do_something(value); s.pop();

do_something(value);

Как видите, если работают только эти два потока, то между двумя обращениями к top()никто не может модифицировать стек, так что оба потока увидят одно и то же значение. Однако беда в том, что между обращениями к pop() нет обращений к top() . Следовательно, одно из двух хранившихся в стеке значений никто даже не прочитает, оно будет просто отброшено, тогда как другое будет обработано дважды. Это еще одно состояние гонки, и куда более коварное, чем неопределенное поведение в случае гонки между empty()и top(), — на первый взгляд, ничего страшного не произошло, а последствия ошибки проявятся, скорее всего, далеко от места возникновения, хотя, конечно, всё зависит от того, что именно делает функция do_something().

Для решения проблемы необходимо более радикальное изменение интерфейса — выполнение обеих операций top()и pop()под защитой одного мьютекса. Том Каргилл [4] Tom Cargill «Exception Handling: A False Sense of Security» в журнале C++ Report 6, № 9 (ноябрь-декабрь 1994). Доступна также по адресу http://www.informit.com/content/images/020163371х/supplements/Exception_Handling_Article.html. указал, что такой объединенный вызов приводит к проблемам в случае, когда копирующий конструктор объектов в стеке может возбуждать исключения. С точки зрения безопасности относительно исключений, задачу достаточно полно решил Герб Саттер [5] Herb Sutter, Exceptional C++: 47 Engineering Puzzles, Programming Problems, and Solutions (Addison Wesley Professional, 1999). , однако возможность возникновения гонки вносит в нее новый аспект.

Для тех, кто незнаком с историей вопроса, рассмотрим класс stack>. Вектор — это контейнер с динамически изменяемым размером, поэтому при копировании вектора библиотека должна выделить из кучи память. Если система сильно загружена или имеются жесткие ограничения на ресурсы, то операция выделения памяти может завершиться неудачно, и тогда копирующий конструктор вектора возбудит исключение std::bad_alloc. Вероятность такого развития событий особенно велика, если вектор содержит много элементов. Если бы функция pop()возвращала вытолкнутое из стека значение, а не только удаляла его из стека, то мы получили бы потенциальную проблему: вытолкнутое значение возвращается вызывающей программе только после модификации стека, но в процессе копирования возвращаемых данных может возникнуть исключение. Если такое случится, то только что вытолкнутые данные будут потеряны — из стека они удалены, но никуда не скопированы! Поэтому проектировщики интерфейса std::stackразбили операцию на две: получить элемент, находящийся на вершине ( top()), а затем удалить его из стека ( pop()). Теперь, данные, которые не удалось скопировать, остаются в стеке; если проблема связана с нехваткой памяти в куче, то, возможно, приложение сможет освободить немного памяти и попытаться выполнить операцию еще раз.

Увы, это как раз то разбиение, которого мы пытались избежать в попытке уйти от гонки! К счастью, альтернативы имеются, но они не бесплатны.

Первый вариант решения — передавать функции pop()ссылку на переменную, в которую она должна будет поместить вытолкнутое из стека значение:

std::vector result;

some_stack.pop(result);

Во многих случаях это приемлемо, но есть и очевидный недостаток: вызывающая программа должна до обращения к функции сконструировать объект того типа, которым конкретизирован стек, чтобы передать его в качестве аргумента. Для некоторых типов это не годится, так как конструирование дорого обходится с точки зрения времени или потребления ресурсов. Для других типов это вообще может оказаться невозможно, так как конструкторы требуют параметров, которые в данной точке программы могут быть недоступны. Наконец, требуется, чтобы хранящийся в стеке тип допускал присваивание. Это существенное ограничение, многие пользовательские типы не поддерживают присваивание, хотя могут поддерживать конструирование перемещением и даже копированием (и потому допускают возврат по значению).

Проблема с безопасностью относительно исключений в варианте функции pop(), возвращающей значение, проявляется только тогда, когда исключение может возникать в процессе возврата значения. Во многих типах имеются копирующие конструкторы, которые не возбуждают исключений, а после поддержки в стандарте С++ ссылок на r-значения (см. приложение А, раздел А.1), появилось еще много типов, в которых перемещающий конструктор не возбуждает исключений, даже если копирующий конструктор может их возбуждать. Один из вариантов решения заключается в том, чтобы наложить на потокобезопасный стек ограничение: в нем можно хранить только типы, поддерживающие возврат по значению без возбуждения исключений.

Это решение, пусть и безопасное, не идеально. Хотя на этапе компиляции можно узнать, существует ли копирующий или перемещающий конструктор, который не возбуждает исключений, — с помощью концепций std::is_nothrow_copy_constructible, std::is_nothrow_move_constructibleи характеристик типов, но это слишком ограничительное требование. Пользовательских типов, в которых копирующий конструктор может возбуждать исключение и перемещающего конструктора нет, гораздо больше, чем типов, в которых копирующий и (или) перемещающий конструктор гарантированно не возбуждают исключений (хотя ситуация может измениться, когда разработчики привыкнут к появившейся в С++11 поддержке ссылок на r-значения). Было бы крайне нежелательно запрещать хранение таких объектов в потокобезопасном стеке.

Третий вариант — возвращать не копию вытолкнутого элемента по значению, а указатель на него. Его достоинство в том, указатели можно копировать, не опасаясь исключений, поэтому указанную Каргиллом проблему мы обходим. А недостаток в том, что возврат указателя заставляет искать средства для управления выделенной объекту памятью, так что для таких простых типов, как целые числа, накладные расходы на управление памятью могут превысить затраты на возврат типа по значению. В любом интерфейсе, где применяется этот вариант, в качестве типа указателя было бы разумно избрать std::shared_ptr; мало того что это предотвращает утечки памяти, поскольку объект уничтожается вместе с уничтожением последнего указателя на него, так еще и библиотека полностью контролирует схему распределения памяти и не требует использования newи delete. Это существенно с точки зрения оптимизации — требование, чтобы память для всякого хранящегося в стеке объекта выделялась с помощью new, повлекло бы заметные накладные расходы по сравнению с исходной версией, небезопасной относительно потоков.