Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ - [24]

идеально подходит для разбиения работы между потоками. Предположим, что первоначально в стеке находится два элемента, поэтому можно с уверенностью сказать, что между empty() и top() не будет гонки ни в одном потоке. Теперь рассмотрим возможные варианты выполнения программы.

Если стек защищен внутренним мьютексом, то в каждый момент времени лишь один поток может исполнять любую функцию-член стека, поэтому обращения к функциям-членам строго чередуются, тогда как вызовы do_something() могут исполняться параллельно. Вот одна из возможных последовательностей выполнения:

Поток А-                    -Поток В

if (!s.empty())
                            if (!s.empty())
 int const value = s.top();
                             int const value = s.top();
s.pop();
do_something(value);        s.pop();
                            do_something(value);

Как видите, если работают только эти два потока, то между двумя обращениями к top() никто не может модифицировать стек, так что оба потока увидят одно и то же значение. Однако беда в том, что между обращениями кpop()нет обращений кtop(). Следовательно, одно из двух хранившихся в стеке значений никто даже не прочитает, оно будет просто отброшено, тогда как другое будет обработано дважды. Это еще одно состояние гонки, и куда более коварное, чем неопределенное поведение в случае гонки между empty() и top(), — на первый взгляд, ничего страшного не произошло, а последствия ошибки проявятся, скорее всего, далеко от места возникновения, хотя, конечно, всё зависит от того, что именно делает функция do_something().

Для решения проблемы необходимо более радикальное изменение интерфейса — выполнение обеих операций top() и pop() под защитой одного мьютекса. Том Каргилл[4] указал, что такой объединенный вызов приводит к проблемам в случае, когда копирующий конструктор объектов в стеке может возбуждать исключения. С точки зрения безопасности относительно исключений, задачу достаточно полно решил Герб Саттер[5], однако возможность возникновения гонки вносит в нее новый аспект.

Для тех, кто незнаком с историей вопроса, рассмотрим класс stack>. Вектор — это контейнер с динамически изменяемым размером, поэтому при копировании вектора библиотека должна выделить из кучи память. Если система сильно загружена или имеются жесткие ограничения на ресурсы, то операция выделения памяти может завершиться неудачно, и тогда копирующий конструктор вектора возбудит исключение std::bad_alloc. Вероятность такого развития событий особенно велика, если вектор содержит много элементов. Если бы функция pop() возвращала вытолкнутое из стека значение, а не только удаляла его из стека, то мы получили бы потенциальную проблему: вытолкнутое значение возвращается вызывающей программе только после модификации стека, но в процессе копирования возвращаемых данных может возникнуть исключение. Если такое случится, то только что вытолкнутые данные будут потеряны — из стека они удалены, но никуда не скопированы! Поэтому проектировщики интерфейса std::stack разбили операцию на две: получить элемент, находящийся на вершине (top()), а затем удалить его из стека (pop()). Теперь, данные, которые не удалось скопировать, остаются в стеке; если проблема связана с нехваткой памяти в куче, то, возможно, приложение сможет освободить немного памяти и попытаться выполнить операцию еще раз.

Увы, это как раз то разбиение, которого мы пытались избежать в попытке уйти от гонки! К счастью, альтернативы имеются, но они не бесплатны.

Вариант 1: передавать ссылку

Первый вариант решения — передавать функции pop() ссылку на переменную, в которую она должна будет поместить вытолкнутое из стека значение:

std::vector result;
some_stack.pop(result);

Во многих случаях это приемлемо, но есть и очевидный недостаток: вызывающая программа должна до обращения к функции сконструировать объект того типа, которым конкретизирован стек, чтобы передать его в качестве аргумента. Для некоторых типов это не годится, так как конструирование дорого обходится с точки зрения времени или потребления ресурсов. Для других типов это вообще может оказаться невозможно, так как конструкторы требуют параметров, которые в данной точке программы могут быть недоступны. Наконец, требуется, чтобы хранящийся в стеке тип допускал присваивание. Это существенное ограничение, многие пользовательские типы не поддерживают присваивание, хотя могут поддерживать конструирование перемещением и даже копированием (и потому допускают возврат по значению).

Вариант 2: потребовать наличия копирующего конструктора, не возбуждающего исключений, или перемещающего конструктора

Проблема с безопасностью относительно исключений в варианте функции pop(), возвращающей значение, проявляется только тогда, когда исключение может возникать в процессе возврата значения. Во многих типах имеются копирующие конструкторы, которые не возбуждают исключений, а после поддержки в стандарте С++ ссылок на r-значения (см. приложение А, раздел А.1), появилось еще много типов, в которых перемещающий конструктор не возбуждает исключений, даже если копирующий конструктор может их возбуждать. Один из вариантов решения заключается в том, чтобы наложить на потокобезопасный стек ограничение: в нем можно хранить только типы, поддерживающие возврат по значению без возбуждения исключений.