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

А теперь от детей и игрушек перейдём к потокам, ссорящимся по поводу захвата мьютексов, — оба потока для выполнения некоторой операции должны захватить два мьютекса, но сложилось так, что каждый поток захватил только один мьютекс и ждет другого. Ни один поток не может продолжить, так как каждый ждет, пока другой освободит нужный ему мьютекс. Такая ситуация называется взаимоблокировкой ; это самая трудная из проблем, возникающих, когда для выполнения операции требуется захватить более одного мьютекса.

Общая рекомендация, как избежать взаимоблокировок, заключается в том, чтобы всегда захватывать мьютексы в одном и том же порядке, — если мьютекс А всегда захватывается раньше мьютекса В, то взаимоблокировка не возникнет. Иногда это просто, потому что мьютексы служат разным целям, а иногда совсем не просто, например, если каждый мьютекс защищает отдельный объект одного и того же класса. Рассмотрим, к примеру, операцию сравнения двух объектов одного класса. Чтобы сравнению не мешала одновременная модификация, необходимо захватить мьютексы для обоих объектов. Однако, если выбрать какой-то определенный порядок (например, сначала захватывается мьютекс для объекта, переданного в первом параметре, а потом — для объекта, переданного во втором параметре), то легко можно получить результат, обратный желаемому: стоит двум потокам вызвать функцию сравнения, передав ей одни и те же объекты в разном порядке, как мы получим взаимоблокировку!

К счастью, в стандартной библиотеке есть на этот случай лекарство в виде функции std::lock, которая умеет захватывать сразу два и более мьютексов без риска получить взаимоблокировку. В листинге 3.6 показано, как воспользоваться ей для реализации простой операции обмена.

Листинг 3.6.Применение std::lockи std::lock_guardдля реализации операции обмена

class some_big_object;

void swap(some_big_object& lhs, some_big_object& rhs);

class X {

private:

some_big_object some_detail;

std::mutex m;

public:

X(some_big_object const& sd) : some_detail(sd) {}

friend void swap(X& lhs, X& rhs) {

if (&lhs == &rhs)

return;

std::lock(lhs.m, rhs.m); ← (1)

std::lock_guard lock_a(lhs.m, std::adopt_lock);← (2)

std::lock_guard lock_b(rhs.m, std::adopt_lock);← (3)

swap(lhs.some_detail,rhs.some_detail);

}

};

Сначала проверяется, что в аргументах переданы разные экземпляры, постольку попытка захватить std::mutex, когда он уже захвачен, приводит к неопределенному поведению. (Класс мьютекса, допускающего несколько захватов в одном потоке, называется std::recursive_mutex. Подробности см. в разделе 3.3.3.) Затем мы вызываем std::lock() (1), чтобы захватить оба мьютекса, и конструируем два экземпляра std::lock_guard (2), (3)— по одному для каждого мьютекса. Помимо самого мьютекса, конструктору передается параметр std::adopt_lock, сообщающий объектам std::lock_guard, что мьютексы уже захвачены, и им нужно лишь принять владение существующей блокировкой, а не пытаться еще раз захватить мьютекс в конструкторе.

Это гарантирует корректное освобождение мьютексов при выходе из функции даже в случае, когда защищаемая операция возбуждает исключение, а также возврат результата сравнения в случае нормального завершения. Стоит также отметить, что попытка захвата любого мьютекса lhs.mили rhs.mвнутри std::lockможет привести к исключению; в этом случае исключение распространяется на уровень функции, вызвавшей std::lock. Если std::lockуспешно захватила первый мьютекс, но при попытке захватить второй возникло исключение, то первый мьютекс автоматически освобождается; std::lockобеспечивает семантику «все или ничего» в части захвата переданных мьютексов.

Хотя std::lockпомогает избежать взаимоблокировки в случаях, когда нужно захватить сразу два или более мьютексов, она не в силах помочь, если мьютексы захватываются порознь, — в таком случае остается полагаться только на дисциплину программирования. Это нелегко, взаимоблокировки — одна из самых неприятных проблем в многопоточной программе, часто они возникают непредсказуемо, хотя в большинстве случаев все работает нормально. Однако все же есть несколько относительно простых правил, помогающих писать свободный от взаимоблокировок код.

Взаимоблокировка может возникать не только при захвате мьютексов, хотя это и наиболее распространенная причина. Нарваться на взаимоблокировку можно и тогда, когда есть два потока и никаких мьютексов; достаточно, чтобы каждый поток вызвал функцию jоin()объекта std::thread, связанного с другим потоком. В этом случае ни один поток не сможет продолжить выполнение, потому что будет ждать завершения другого потока, — точно так же, как дети, ссорящиеся по поводу игрушек. Такой простой цикл может возникнуть всюду, где один поток ждет завершения другого для продолжения работы, а этот другой поток одновременно ждет завершения первого. Причем потоков необязательно должно быть два — цикл, в котором участвуют три и более потоков, также приведёт к взаимоблокировке. Общая рекомендация во всех случаях одна: не ждите завершения другого потока, если есть малейшая возможность, что он будет дожидаться вас. Ниже приведены конкретные советы, как выявить и устранить такую возможность.

Идея проста — не захватывайте мьютекс, если уже захватили какой-то другой. Если строго придерживаться этой рекомендации, то взаимоблокировка, обусловленная одними лишь захватами мьютексов, никогда не возникнет, потому что каждый поток в любой момент времени владеет не более чем одним мьютексом. Конечно, можно получить взаимоблокировку по другим причинам (например, из-за взаимного ожидания потоков), но захват мьютексов — наиболее распространенная. Если требуется захватить сразу несколько мьютексов, делайте это атомарно с помощью std::lock, так вы сможете избежать взаимоблокировки.

По существу, это простое развитие предыдущей рекомендации. Поскольку код написан пользователем, вы не можете знать, что он делает. А делать он может все, что угодно, в том числе захватывать мьютекс. Если вы вызываете пользовательский код, не освободив предварительно мьютекс, а этот код захватывает какой-то мьютекс, то оказывается нарушена рекомендация избегать вложенных блокировок, и может возникнуть взаимоблокировка. Иногда избежать этого невозможно: если вы пишете обобщенный код, например класс стека из раздела 3.2.3, то каждая операция над типом или типами параметров — не что иное, как пользовательский код. В таком случае прислушайтесь к следующему совету.