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

В С++ для того чтобы операция была атомарной, обычно необходимы атомарные типы. Давайте познакомимся с ними.

Все стандартные атомарные типы определены в заголовке . Любые операции над такими типами атомарны, и только операции над этими типами атомарны в смысле принятого в языке определения, хотя мьютексы позволяют реализовать кажущуюся атомарность других операций. На самом деле, и сами стандартные атомарные типы могут пользоваться такой эмуляцией: почти во всех имеется функция-член is_lock_free(), которая позволяет пользователю узнать, выполняются ли операции над данным типом с помощью действительно атомарных команд ( x.is_lock_free()возвращает true) или с применением некоторой внутренней для компилятора и библиотеки блокировки ( x.is_lock_free()возвращает false).

Единственный тип, в котором функция-член is_lock_free()отсутствует, — это std::atomic_flag. В действительности это по-настоящему простой булевский флаг, а операции над этим типом обязаны быть свободными от блокировок; если имеется простой свободный от блокировок булевский флаг, то на его основе можно реализовать простую блокировку и, значит, все остальные атомарные типы. Говоря по-настоящему простой , я именно это и имел в виду: после инициализации объект типа std::atomic_flagсброшен, и для него определены всего две операции: проверить и установить (функция-член test_and_set()) и очистить (функция-член clear()). Это всё — нет ни присваивания, ни копирующего конструктора, ни операции «проверить и очистить», вообще ничего больше.

Доступ ко всем остальным атомарным типам производится с помощью специализаций шаблона класса std::atomic<>; их функциональность несколько богаче, но они необязательно свободны от блокировок (как было объяснено выше). На самых распространенных платформах можно ожидать, что атомарные варианты всех встроенных типов (например, std::atomicи std::atomic) действительно будут свободны от блокировок, но такого требования не предъявляется. Как мы скоро увидим, интерфейс каждой специализации отражает свойства типа; например, поразрядные операции, например &=, не определены для простых указателей, поэтому они не определены и для атомарных указателей.

Помимо прямого использования шаблона класса std::atomic<>, разрешается использовать имена, приведённые в табл. 5.1, которые ссылаются на определенные в конкретной реализации атомарные типы. Из-за исторических особенностей добавления атомарных типов в стандарт С++ альтернативные имена типов могут ссылаться либо на соответствующую специализацию std::atomic<>, либо на базовый класс этой специализации. Поэтому смешение альтернативных имен и прямых имен специализаций std::atomic<>может сделать программу непереносимой.

Таблица 5.1.Альтернативные имена стандартных атомарных типов и соответствующие им специализации std::atomic<>

Помимо основных атомарных типов, в стандартной библиотеке С++ определены также псевдонимы typedefдля атомарных типов, соответствующих различным неатомарным библиотечным typedef, например std::size_t. Они перечислены в табл. 5.2.

Таблица 5.2.Соответствие между стандартными атомарными и встроенными typedef

Да уж, типов немало! Но есть простая закономерность — атомарный тип, соответствующий стандартному typedef T, имеет такое же имя с префиксом atomic_: atomic_T. То же самое относится и к встроенным типам с тем исключением, что signedсокращается до s, unsigned— до u, a long long— до llong. Вообще говоря, проще написать std::atomicдля нужного вам типа T, чем пользоваться альтернативными именами.

Стандартные атомарные типы не допускают копирования и присваивания в обычном смысле, то есть не имеют копирующих конструкторов и операторов присваивания. Однако им все же можно присваивать значения соответствующих встроенных типов, и они поддерживают неявные преобразования в соответствующие встроенные типы. Кроме того, в них определены функции-члены load(), store(), exchange(), compare_exchange_weak()и compare_exchange_strong(). Поддерживаются также составные операторы присваивания (там, где это имеет смысл) +=, -=, *=, |=и т.д., а для целочисленных типов и специализаций std::atomic<>для указателей — еще и операторы ++и --. Этим операторам соответствуют также именованные функции-члены с идентичной функциональностью: fetch_add(), fetch_or()и т.д. Операторы присваивания возвращают сохраненное значение, а именованные функции-члены — значение, которое объект имел до начала операции. Это позволяет избежать потенциальных проблем, связанных с тем, что обычно операторы присваивания возвращают ссылку на объект в левой части. Чтобы получить из такой ссылки сохраненное значение, программа должна была бы выполнить еще одну операцию чтения, но тогда между присваиванием и чтением другой поток мог бы модифицировать значение, открывая дорогу гонке.