C++. Сборник рецептов - [169]

alternating_many_reads

Чередуются блокировки для чтения и для записи. Выполняются все блокировки для чтения, когда подходит «очередь» читающих потоков. Другими словами, эта политика приводит к опустошению очереди всех потоков, ожидающих блокировки для чтения, в промежутке между блокировками для записи.

Каждая из этих политик имеет свои достоинства и недостатки, и их влияние будет сказываться по-разному в различных приложениях. Необходимо тщательно подойти к выбору политики, потому что если просто обеспечить приоритет для чтения или записи, это приведет к зависанию, которое я более подробно описываю ниже.

Опасности

При программировании многопоточной обработки возникает три основные проблемы: взаимная блокировка (deadlock), зависание (starvation) и состояния состязания (race conditions — условия гонок). Существуют различные по сложности методы устранения этих проблем, но их рассмотрение выходит за рамки данного рецепта. Я дам описание каждой их этих проблем, чтобы вы знали, чего следует остерегаться, но если вы планируете разработку многопоточного приложения, вам необходимо сначала выполнить некоторое предварительную работу по шаблонам многопоточной обработки.

Взаимная блокировка связана с наличием, по крайней мере, двух потоков и двух ресурсов. Пусть имеется два потока, А и В, и два ресурса, X и Y, причем поток А блокирует ресурс X, а В блокирует Y. Взаимная блокировка возникает в том случае, когда А пытается заблокировать Y, а В пытается заблокировать X. Если при работе потоков не предусмотреть какой-либо способ устранения взаимных блокировок, они будут ждать бесконечно.

Библиотека Boost Threads позволяет избегать взаимных блокировок благодаря уточнению концепций мьютекса и блокировки. Пробный мьютекс (try mutex) — это мьютекс, который используется для определения возможности блокировки путем выполнения пробной блокировки (try lock); она может быть успешной или нет, но не блокирует ресурс, а ждет момента, когда блокировка станет возможной. Применяя модели этих концепций в форме классов try_mutex и scoped_try_lock, вы можете в своей программе идти дальше и выполнять какие-то другие действия, если доступ к требуемому ресурсу заблокирован. Существует еще одно уточнение концепции пробной блокировки, называемое временной блокировкой (timed lock). Я не рассматриваю здесь подробно временные блокировки; детальное их описание вы найдете в документации библиотеки Boost Threads.

Например, в классе Queue из примера 12.2 требуется использовать мьютекс для пробной блокировки с возвратом функцией dequeue значения типа bool, показывающего, может или не может быть извлечен из очереди первый элемент. В этом случае при применении функции dequeue не приходится ждать блокировки очереди. Ниже показано, как можно переписать функцию dequeue.

bool dequeue(T& x) {
 boost::try_mutex::scoped_try_lock lock(tryMutex_);
 if (!lock.locked())
  return(false);
 else {
  if (list_.empty()) throw "empty!";
  x = list_.front();
  list_.pop_front();
  return(true);
 }
}
private:
 boost::try_mutex tryMutex_;
 // ...

Используемые здесь мьютекс и блокировка отличаются от тех, которые применялись в примере 12.2. Убедитесь, что используемые вами имена классов мьютекса и блокировки правильно квалифицированы, в противном случае вы получите не то, на что рассчитываете.

При сериализации доступа к чему-либо вы заставляете пользователей этого ресурса выстраиваться друг за другом и дожидаться свой очереди. Если положение пользователей ресурса в очереди остается неизменным, каждый из них имеет шанс получения доступа к ресурсу. Однако если некоторым пользователям разрешается сокращать свою очередь, то до находящихся в конце очередь может никогда не дойти. Возникает зависание.

При использовании мьютекса mutex пользователи ресурса, которые находятся в состоянии ожидания, образуют группу, а не последовательность. Нельзя сказать, что существует определенный порядок между потоками, ожидающими возможности выполнения блокировки. Для мьютексов чтения/записи в библиотеке Boost Threads используется четыре политики планирования блокировок, которые были описаны ранее. Поэтому при использовании мьютексов чтения/записи необходимо понимать смысл различных политик планирования и действий ваших потоков. Если вы используете политику writer_priority и у вас много потоков, создающих блокировки для записи, ваши читающие потоки будут зависать; то же самое произойдет при применении политики reader_priority, поскольку эти политики планирования всегда отдают предпочтение одному из двух типов блокировки. Если в ходе тестирования вы понимаете, что один из типов потоков продвигается в очереди недостаточно, рассмотрите возможность перехода на применение политики alternating_many_reads или alternating_single_read. Тип политики задается при конструировании мьютекса чтения/записи.

Наконец, состояние состязания возникает в том случае, когда в программе делается предположение об определенном порядке выполнения блокировок или об их атомарности, что оказывается неверным. Например, рассмотрим пользователя класса Queue, который опрашивает первый элемент очереди и при определенном условии извлекает его из очереди с помощью функции