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

• Значения x(а равно yи z) увеличиваются только в пределах данного набора, но приращения неравномерны и относительный порядок в разных наборах различен.

• Поток 3 не видит обновлений xи y, ему видны только обновления z. Но это не мешает другим потокам видеть обновления zнаряду с обновлениями xи y.

Это всего лишь один из возможных результатов выполнения ослабленных операций. Вообще говоря, возможен любой результат, в котором каждая из трех переменных принимает значения от 0 до 10, и в каждом потоке, обновляющем некоторую переменную, ее значения монотонно изменяются от 0 до 9.

Чтобы попять, как всё это работает, представьте, что каждая переменная — человек с блокнотом, сидящий в отдельном боксе. В блокноте записана последовательность значений. Вы можете позвонить сидельцу и попросить либо прочитать вслух какое-нибудь значение, либо записать новое. Новое значение он записывает в конец последовательности.

При первой просьбе дать значение человек может прочитать любое значение из списка, имеющегося в данный момент. В ответ на следующую просьбу он может прочитать либо то же самое значение, либо значение, расположенное позже него в списке, но никогда — значение, расположенное раньше уже прочитанного. Если вы просили записать значение, а потом прочитать, то он может сообщить либо значение, записанное в ответ на вашу просьбу, либо расположенное позже него в списке.

Теперь представьте, что в начале списка находятся значения 5, 10, 23, 3, 1, 2. Человек может прочитать любое из них. Если он скажет 10, то в следующий раз он может прочитать также 10 или любое последующее число, но не 5. Если вы позвоните пять раз, то может услышать, например, последовательность «10, 10, 1, 2, 2». Если вы попросите записать 42, он добавит это число в конец списка. Если вы затем будете просить прочитать число, то он будет повторять «42», пока в списке не появится новое число и он не захочет назвать его.

Предположим далее, что у Карла тоже есть телефон этого человека. Карл тоже может позволить ему с просьбой либо прочитать, либо записать число. При этом к Карлу применяются те же правила, что и к вам. Телефон только один, поэтому в каждый момент времени человек общается только с одним из вас, так что список в его блокноте растет строго последовательно. Но из того, что вы попросили записать его новое число, вовсе не следует, что он должен сообщить его Карлу. и наоборот. Если Карл попросил назвать число и услышал в ответ «23», то из того, что вы попросили записать число 42, не вытекает, что в следующий раз Карл услышит его. Человек может назвать Карлу любое из чисел 23, 3, 1, 2, 42 или даже 67, если после вас позвонил Фред и попросил записать это число. Он даже может назвать Карлу последовательность «23, 3, 3, 1, 67», и это не будет противоречить тому, что услышали вы. Можно представить себе, что человек запоминает, какое число кому назвал, сдвигая указатели, на которых написано имя спрашивающего, как показано на рис. 5.5.

Рис. 5.5.Блокнот человека, сидящего в боксе

Теперь представьте, что имеется целый ряд боксов, в каждом из которых сидит по человеку с блокнотом и телефоном. Это всё наши атомарные переменные. У каждой переменной свой порядок модификации (список значений в блокноте), по между ними нет никакой связи. Если каждый звонящий (вы, Карл, Анна, Дэйв и Фред) представляет поток, то именно такая картина наблюдается, когда все операции работают в режиме memory_order_relaxed. К человеку, сидящему в боксе, можно обращаться и с другими просьбами, например: «запиши это число и скажи мне, что находится в конце списка» ( exchange) или «запиши это число, если число в конце списка равно тому , в противном случае скажи мне, что я должен был бы предположить» ( compare_exchange_strong), но общий принцип при этом не изменяется.

Применив эту метафору к программе в листинге 5.5, можно сказать, что write_x_then_yозначает, что некто позвонил человеку в боксе x, попросил его записать true, а потом позвонил человеку в боксе yи попросил его записать true. Поток, выполняющий функцию read_y_then_x, раз за разом звонит человеку в боксе yи спрашивает значение, пока не услышит true, после чего звонит человеку в боксе xи спрашивает значение у него. Человек в боксе xне обязан сообщать вам какое-то конкретное значение из своего списка и с полным правом может назвать false.

Из-за этого с ослабленными атомарными операциями трудно иметь дело. Чтобы они были полезны для межпоточной синхронизации, их нужно сочетать с атомарными операциями, работающими в режиме с более строгой семантикой упорядочения. Я настоятельно рекомендую вообще избегать ослабленных атомарных операций, если без них можно обойтись, а, если никак нельзя, то использовать крайне осторожно. Учитывая, насколько интуитивно неочевидные результаты получились в листинге 5.5 при наличии всего двух потоков и двух переменных, нетрудно представить себе сложности, с которыми придется столкнуться, когда потоков и переменных станет больше.

Один из способов организовать дополнительную синхронизацию, не прибегая к последовательной согласованности, — воспользоваться упорядочением захват-освобождение.

Упорядочение захват-освобождение — шаг от ослабленного упорядочения в сторону большего порядка; полной упорядоченности операций еще нет, но какая-то синхронизация уже возможна. При такой модели атомарные операции загрузки являются операциями захвата ( memory_order_acquire), атомарные операции сохранения — операциями освобождения ( memory_order_release), а атомарные операции чтения-модификации-записи (например, fetch_add()или exchange()) — операциями захвата , освобождения или того и другого ( memory_order_acq_rel). Синхронизация попарная — между потоком, выполнившим захват, и потоком, выполнившим освобождение. Операция освобождения синхронизируется-с операцией захвата, которая читает записанное значение. Это означает, что различные потоки могут видеть операции в разном порядке, но возможны все-таки не любые порядки. В следующем листинге показала программа из листинга 5.4, переработанная под семантику захвата-освобождения вместо семантики последовательной согласованности.

Листинг 5.7.Из семантики захвата-освобождения не вытекает полная упорядоченность

#include

#include

#include