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

Листинг 5.3.Порядок определения аргументов функции не определён

#include

void foo(int a, int b) {

std::cout << a << "," << b << std::endl;

}

int get_num() {

static int i = 0;

return ++i;

}

int main() {

foo(get_num(), get_num());←┐ Порядок обращений

} │ к get_num() не определен

Существуют случаи, когда порядок операций внутри одного предложения точно известен, например, если используется встроенный оператор «занятая» или результат одного выражения является аргументом другого выражения. Но в общем случае никакого отношения расположено-перед (а, значит, и отношения происходит-раньше) между ними не существует. Разумеется, все операции в одном предложении происходят раньше всех операций в следующем за ним предложении.

Но это просто пересказ другими словами давно известных вам правил упорядочения в однопоточной программе. А где же новое? Новым является взаимодействие между потоками: если операция А в одном потоке межпоточно происходит-раньше операции В в другом потоке, то А происходит-раньше В. Вроде бы толку немного, мы просто добавили новое отношение (межпоточно происходит-раньше), но при написании многопоточной программы это отношение оказывается очень важным.

На понятийном уровне отношение межпоточно происходит-раньше довольно простое, оно опирается на отношение синхронизируется-с, введенное в разделе 5.3.1: если операция А в одном потоке синхронизируется-с операцией В в другом потоке, то А межпоточно происходит-раньше В. Это отношение также транзитивно: если А межпоточно происходит-раньше В, а В межпоточно происходит-раньше С, то А межпоточно происходит-раньше С. Это мы тоже видели в листинге 5.2.

Отношение межпоточно происходит-раньше также комбинируется с отношением расположено-перед: если операция А расположена перед операцией В и операция В межпоточно происходит-раньше операции С, то А межпоточно происходит-раньше С. Аналогично, если А синхронизируется-с В и В расположена-перед С, то А межпоточно происходит-раньше С. В совокупности эти два утверждения означают, что если произведена серия изменений данных в одном потоке, то нужно только одно отношение синхронизируется-с, чтобы данные стали видимы последующим операциям в потоке, где выполнена С.

Именно эти критически важные правила и обеспечивают упорядоченность операций между потоками, благодаря чему программа в листинге 5.2 работает правильно. Как мы скоро увидим, существуют дополнительные нюансы, связанные с зависимостями между данными. Чтобы разобраться в них, мне нужно будет рассмотреть признаки упорядочения доступа к памяти, используемые в атомарных операциях, и рассказать, как они связаны с отношением синхронизируется-с.

Существует шесть вариантов упорядочения доступа к памяти, которые можно задавать в операциях над атомарными типами: memory_order_relaxed, memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_release, memory_order_acq_relи memory_order_seq_cst. Если не указано противное, то для любой операции над атомарными типами подразумевается упорядочение memory_order_seq_cst— самое ограничительное из всех. Хотя вариантов шесть, представляют они всего три модели: последовательно согласованное упорядочение ( memory_order_seq_cst), упорядочение захват-освобождение ( memory_order_consume, memory_order_acquire, memory_order_releaseи memory_order_acq_rel) и ослабленное упорядочение ( memory_order_relaxed).

Эти три модели упорядочения доступа к памяти влекут за собой различные издержки для процессоров с разной архитектурой. Например, в системах с точным контролем над видимостью операций процессорами, отличными от произведшего изменения, могут потребоваться дополнительные команды синхронизации для обеспечения последовательно согласованного упорядочения по сравнению с ослабленным или упорядочением захват-освобождение, а также для обеспечения упорядочения захват-освобождение по сравнению с ослабленным. Если в такой системе много процессоров, то на выполнение дополнительных команд синхронизации может уходить заметное время, что приведет к снижению общей производительности системы. С другой стороны, процессоры с архитектурой x86 или x86-64 (в частности, Intel и AMD, столь распространенные в настольных ПК) не требуют никаких дополнительных команд для обеспечения упорядочения захват-освобождение, помимо необходимых для гарантий атомарности, и даже последовательно согласованное упорядочение не нуждается в каких-то специальных действиях на операциях загрузки, хотя операции сохранения все же требуют некоторых добавочных затрат.

Наличие различных моделей упорядочения доступа к памяти позволяет эксперту добиться повышения производительности за счет более точного управления отношениями упорядочения там, где это имеет смысл, и в то же время использовать последовательно согласованное упорядочение (которое гораздо проще для понимания) в случаях, когда такой выигрыш не критичен.

Чтобы выбрать подходящую модель, нужно понимать, каковы последствия того или иного решения для поведения программы. Поэтому рассмотрим, какое влияние оказывают различные модели на упорядочение операций и отношение синхронизируется-с.

Упорядочение по умолчанию называется последовательно согласованным , потому что оно предполагает, что поведение программы согласовано с простым последовательным взглядом на мир. Если все операции над экземплярами атомарных типов последовательно согласованы, то поведение многопоточной программы такое же, как если бы эти операции выполнялись в какой-то определенной последовательности в одном потоке. Это самое простое для понимания упорядочение доступа к памяти, потому оно и подразумевается по умолчанию: все потоки должны видеть один и тот же порядок операций. Таким образом, становится достаточно легко рассуждать о поведении программы, написанной с использованием атомарных переменных. Можно выписать все возможные последовательности операций, выполняемых разными потоками, отбросить несогласованные и проверить, что в остальных случаях программа ведет себя, как и ожидалось. Это также означает, что порядок операций нельзя изменять; если в каком-то потоке одна операция предшествует другой, то этот порядок должен быть виден всем остальным потокам.

С точки зрения синхронизации, последовательно согласованное сохранение синхронизируется-с последовательно согласованной операцией загрузки той же переменной, в которой читается сохраненное значение. Тем самым мы получаем одно ограничение на упорядочение операций в двух или более потоках. Однако этим последовательная согласованность не исчерпывается. Любая последовательно согласованная операция, выполненная после этой загрузки, должна быть видна всякому другому потоку в системе с последовательно согласованными атомарными операциями именно как следующая за загрузкой. Пример в листинге 5.4 демонстрирует это ограничение на упорядочение в действии. Однако это ограничение не распространяется на потоки, в которых для атомарных операций задано ослабленное упорядочение — они по-прежнему могут видеть операции в другом порядке. Поэтому, чтобы получить пользу от последовательного согласования операций, его надо использовать во всех потоках.