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

Но шаблон класса std::atomic<>— не просто набор специализаций. В нем есть основной шаблон, который можно использовать для создания атомарного варианта пользовательского типа. Поскольку это обобщенный шаблон класса, определены только операции load(), store()(а также присваивание значения пользовательского типа и преобразования в пользовательский тип), exchange(), compare_exchange_weak()и compare_exchange_strong().

У любой операции над атомарными типами имеется необязательный аргумент, задающий требования к семантике упорядочения доступа к памяти. Точный смысл различных вариантов упорядочения обсуждается в разделе 5.3. Пока же достаточно знать, что операции разбиты на три категории.

• Операции сохранения , для которых можно задавать упорядочение memory_order_relaxed, memory_order_releaseи memory_оrder_sеq_cst.

• Операции загрузки , для которых можно задавать упорядочение memory_order_relaxed, memory_order_consume, memory_order_acquireи memory_order_seq_cst.

• Операции чтения-модификации-записи , для которых можно задавать упорядочение memory_order_relaxed, memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_relи memory_order_seq_cst.

По умолчанию для всех операций подразумевается упорядочение memory_оrder_sеq_cst.

Теперь рассмотрим, какие операции можно производить над каждым из стандартных атомарных типов, начиная с std::atomic_flag.

Простейший стандартный атомарный тип std::atomic_flagпредставляет булевский флаг. Объекты этого типа могут находиться в одном из двух состояний: установлен или сброшен. Этот тип намеренно сделан максимально простым, рассчитанным только на применение в качестве строительного блока. Поэтому увидеть его в реальной программе можно лишь в очень специфических обстоятельствах. Тем не менее, он послужит нам отправной точкой для обсуждения других атомарных типов, потому что на его примере отчетливо видны общие относящиеся к ним стратегии.

Объект типа std::atomic_flag должен быть инициализирован значением ATOMIC_FLAG_INIT. При этом флаг оказывается в состоянии сброшен . Никакого выбора тут не предоставляется — флаг всегда должен начинать существование в сброшенном состоянии:

std::atomic_flag f = ATOMIC_FLAG_INIT;

Требование применяется вне зависимости от того, где и в какой области видимости объект объявляется. Это единственный атомарный тип, к инициализации которого предъявляется столь специфическое требование, зато при этом он является также единственным типом, гарантированно свободным от блокировок. Если у объекта std::atomic_flagстатический класс памяти, то он гарантированно инициализируется статически, и, значит, никаких проблем с порядком инициализации не будет — объект всегда оказывается инициализированным к моменту первой операции над флагом.

После инициализации с флагом можно проделать только три вещи: уничтожить, очистить или установить, одновременно получив предыдущее значение. Им соответствуют деструктор, функция-член clear()и функция-член test_and_set(). Для обеих функций clear()и test_and_set()можно задать упорядочение памяти. clear() — операция сохранения , поэтому варианты упорядочения memory_order_acquireи memory_order_acq_relк ней неприменимы, a test_and_set()— операция чтения-модификации-записи, так что к ней применимы любые варианты упорядочения. Как и для любой атомарной операции, по умолчанию подразумевается упорядочение memory_order_seq_cst. Например:

f.clear(std::memory_order_release);← (1)

bool x = f.test_and_set(); ← (2)

Здесь при вызове clear() (1)явно запрашивается сброс флага с семантикой освобождения, а при вызове test_and_set() (2)подразумевается стандартное упорядочение для операции установки флага и получения прежнего значения.

Объект std::atomic_flagнельзя сконструировать копированием из другого объекта, не разрешается также присваивать один std::atomic_flagдругому. Это не особенность типа std::atomic_flag, а свойство, общее для всех атомарных типов. Любые операции над атомарным типом должны быть атомарными, а для присваивания и конструирования копированием нужны два объекта. Никакая операция над двумя разными объектами не может быть атомарной. В случае копирования и присваивания необходимо сначала прочитать значение первого объекта, а потом записать его во второй. Это две отдельные операции над двумя различными объектами, и их комбинация не может быть атомарной. Поэтому такие операции запрещены.

Такая ограниченность функциональности делает тип std::atomic_flagидеальным средством для реализации мьютексов-спинлоков. Первоначально флаг сброшен и мьютекс свободен. Чтобы захватить мьютекс, нужно в цикле вызывать функцию test_and_set(), пока она не вернет прежнее значение false, означающее, что теперь в этом потоке установлено значение флага true. Для освобождения мьютекса нужно просто сбросить флаг. Реализация приведена в листинге ниже.

Листинг 5.1.Реализация мьютекса-спинлока с использованием std::atomic_flag

class spinlock_mutex {

std::atomic_flag flag;

public:

spinlock_mutex():

flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {}

void lock() {

while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));

}

void unlock() {

flag.clear(std::memory_order_release);

}

};

Это очень примитивный мьютекс, но даже его достаточно для использования в сочетании с шаблоном std::lock_guard<>(см. главу 3). По своей природе, он активно ожидает в функции-члене lock(), поэтому не стоит использовать его, если предполагается хоть какая-то конкуренция, однако задачу взаимного исключения он решает. Когда дело дойдет до семантики упорядочения доступа к памяти, мы увидим, как гарантируется принудительное упорядочение, необходимое для захвата мьютекса. Пример будет приведён в разделе 5.3.6.

Тип std::atomic_flagнастолько ограничен, что его даже нельзя использовать в качестве обычного булевского флага, так как он не допускает проверки без изменения значения. На эту роль больше подходит тип std::atomic, который я рассмотрю ниже.

Из атомарных целочисленных типов простейшим является std::atomic. Как и следовало ожидать, его функциональность в качестве булевского флага богаче, чем у std::atomic_flag. Хотя копирующий конструктор и оператор присваивания по-прежнему не определены, но можно сконструировать объект из неатомарного bool, поэтому в начальном состоянии он может быть равен как true, так и false. Разрешено также присваивать объектам типа std::atomicзначения неатомарного типа bool: