QNX/UNIX: Анатомия параллелизма - Олег Цилюрик

Рассматриваемые примитивы служат принципиально различным целям. Мьютекс, как уже было сказано ранее, предназначен в первую очередь для регламентации доступа к участкам программного кода. Семафоры же больше предназначены для регламентации порядка доступа к определенным объектам данных. Классическими задачами этого класса являются задачи «производитель-потребитель», когда M производителей создают некоторые объекты данных (читая эти данные с реальных внешних устройств, или создавая их как результат только внутренних вычислений, или любым другим способом), а N потребителей независимо берут произведенные объекты данных на последующую обработку.

Это настолько общий и часто встречающийся класс задач, что покажем для него простейший «скелет» в виде отдельного приложения, в котором отслеживание порядка доступа потребителей будет осуществлять счетный семафор (файл sy22.cc). Для простоты понимания приложение сделано как трансформация кода предшествующей группы тестов. В качестве имитации производства объекта данных, как и в качестве его обработки потребителем, используется пассивная пауза (delay()) на случайную величину (производство и обработка объектов данных в коде не показаны, так как это не относится к существу рассматриваемого — нас интересуют процессы синхронизации этих операций, а не сами операции).

Кроме основной нашей цели это приложение дополнительно демонстрирует:

• Практическое использование принудительного завершения (отмены) потоков «извне» с управлением состоянием завершаемости потоков и расстановкой точек отмены, о чем мы уже говорили ранее.

• Использование атомарных (непрерываемых) операций (например, atomic_add_value()), о которых мы будем говорить чуть позже.

• Использование реентерабельных форм функций стандартной библиотеки, безопасных в многопоточной среде (rand_r() вместо rand()).

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <iostream.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include <errno.h>

#include <semaphore.h>

#include <atomic.h>

const int D = 10;

unsigned int T = 2;

static sem_t sem;

pthread_t* tid;

void* writer(void* data) {

 unsigned long i = (int)(data); // общий размер выборки

 unsigned int s = 1;

 while (i-- > 0) {

  delay((long)rand_r(&s) * D / RAND_MAX + 1);

  sem_post(&sem); // объект данных произведен

 }

 for (i = 0; i < T; i++) pthread_cancel(tid[i + 1]);

 return NULL;

}

static char *str; // строка результирующей диагностики

static volatile unsigned ind = 0;

void* reader(void*) {

 char tid[8];

 sprintf(tid, "%X", pthread_self());

 unsigned int s = rand();

 pthread_setcanceltype(PTHREAD_CANCEL_DEFERRED, NULL);

 while(true) {

  sem_wait(&sem); // получен объект данных

  str[atomic_add_value(&ind, 1)] = *tid;

  pthread_testcancel();

  delay((long)rand_r(&s) * D * T / RAND_MAX + 1);

 }

 return NULL;

}

int main(int argc, char *argv[]) {

 unsigned long N = 1000;

 int opt, val;

 while ((opt = getopt(argc, argv, "n:t:")) != -1) {

  switch(opt) {

  case 'n':

   if (sscanf(optarg, "%i", &val) != 1)

    cout << "parse command line error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

   if (val > 0) N = val;

   break;

  case 't':

   if (sscanf(optarg, "%i", &val) != 1)

    cout << "parse command line error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

   if (val > 0) T = val;

   break;

  default:

   exit(EXIT_FAILURE);

  }

 }

 str = new char[N + 1];

 tid = new pthread_t[T + 1];

 if (sem_init(&sem, 0, 0))

  perror("semaphore init"), exit(EXIT_FAILURE);

 if (pthread_create(tid, NULL, writer, (void*)N) >= EOK)

  perror("writer create error"), exit(EXIT_FAILURE);

 for (int i = 0; i < T; i++)

  if (pthread_create(tid + i + 1, NULL, reader, NULL) != EOK)

   perror("reader create error"), exit(EXIT_FAILURE);

 for (int i = 0; i < T; i++)

  pthread_join(tid[i], NULL);

 sem_destroy(&sem);

 delete [] tid;

 str[ind] = '';

 cout << str << endl;

 delete [] str;

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Вот как выглядит результат выполнения этой программы (во избежание внесения дополнительного синхронизма в качестве общего числа циклов «производства» и числа потоков потребителей выбраны взаимно простые числа):

# sy22 -n200 -t13

3456789ABCDEF7936A8547E39DCB45F67A59B84D37EC64F395B6AEF78B9DF34CB53B86A5FEDF975B3A8EC46FB8AD954736FA78C3ED46F7B594EC7B83AC6F9D4BCE569A73F86BCAD74C536EB79F5C8DA5B463EFBC7D937AEC85FDE4566CAF69DE7F385CA6

Хорошо видно, как строго последовательный поначалу порядок доступа потребителей к объектам данных десинхронизируется и становится хаотическим: каждый освободившийся потребитель приступает к работе над следующим объектом данных, как только тот становится доступен.

Атомарные операции

Атомарные операции не относятся к элементам синхронизации параллельных ветвей программы. Но им следует уделить внимание по двум причинам. Во-первых, атомарные операции — это простое и эффективное средство, позволяющее во многих случаях избежать использования механизмов синхронизации. А во-вторых, атомарные операции зачастую выпадают из рассмотрения из-за их двойственного положения: при обсуждении параллелизма и синхронизации они не рассматриваются, потому что не являются элементами синхронизации, а при обсуждении последовательных программ не рассматриваются потому, что здесь в них просто нет необходимости.

Атомарные операции — это операции, для которых гарантируется их непрерываемость даже при выполнении на симметричных мультипроцессорных платформах. Выполнение атомарных операций не прерывается даже асинхронными аппаратными прерываниями. Таким образом, эта группа операций является также и безопасной в многопоточном окружении.

Действительно, наиболее часто примитивы синхронизации применяются для создания критической секции кода с целью предотвращения возможности одновременного воздействия на объекты данных со стороны нескольких параллельно развивающихся ветвей программы.

При одновременной работе с данными из различных потоков состояние данных после такого воздействия должно считаться «неопределенным», при этом последствия могут быть более тяжкими, чем просто некорректное состояние данных - структура сложных объектов может быть просто разрушена.

В многопоточной среде элементарные и привычные операции могут таить в себе опасности. Действительно, простейший оператор вида:

i = i + 1;

содержит в себе опасность, если этот оператор записан в функции потока, выполняемой несколькими экземплярами потоков (совершенно типичный случай). Не менее опасен, но менее очевиден по внешнему виду и оператор:

i += 1;

Даже операторы инкремента и декремента (++i и --i), которые в системе команд практически всех типов процессоров выполняются как атомарные и которые являются основой для реализации семафорных операций, в симметричной мультипроцессорной архитектуре перестают быть безопасными. Хуже того, привычные программисту операции стандартной библиотеки и просто синтаксические конструкции языка становятся небезопасными в многопоточной среде. Вот еще два примера:

1. Оператор копирования нетипизированного блока памяти, безбоязненно используемый десятилетиями:

void* memcpy(void* dst, const void* src, size_t length);

2. Операторы присваивания, инициализации или сравнения структурированных объектов данных:

struct X {

 X(const X& y) { ... }

 friend bool operator==(const X& f, const X& s) { ... }

 // оператор присваивания мы не переопределяем, используется

 // присваивание по умолчанию - побайтовое копирование

};

...

X A;

...

X B(А); // потенциальная ошибка

...

B = A; // потенциальная ошибка

if (А == В) { ... } // потенциальная ошибка

Обратите внимание, что все объекты данных, для которых могут наблюдаться обсуждаемые эффекты, должны быть доступны вне потока, то есть быть глобальными с точки зрения видимости в потоке.

Именно для безопасного манипулирования данными в параллельной среде QNX API и вводятся атомарные операции. Десять атомарных функций делятся на две симметричные группы по виду своего именования и логике функционирования. Все атомарные операции осуществляются только над одним типом данных unsigned int, но, как будет показано далее, это не такое уж и сильное ограничение. Сам объект, над которым осуществляется атомарная операция (типа unsigned int), — это самая обычная переменная целочисленного типа, только описанная с квалификатором volatile.