Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ - [28]

Захватывайте мьютексы в фиксированном порядке

Если без захвата нескольких мьютексов никак не обойтись и захватить их в одной операции типа std::lock не получается, то следует прибегнуть к другому способу — захватывать их во всех потоках в одном и том же порядке. Мы уже говорили об этом в разделе 3.2.4, как о способе избежать взаимоблокировки при захвате двух мьютексов; идея в том, чтобы четко определить порядок захвата и соблюдать его во всех потоках. Иногда это сравнительно просто. Например, в случае стека из раздела 3.2.3 мьютекс хранится в каждом экземпляре стека, но для операций над хранящимися в стеке элементами необходимо вызывать пользовательский код. Однако можно добавить ограничение: никакая операция над хранящимися в стеке данными не должна производить какие-либо действия с самим стеком. Это возлагает определенную ответственность на пользователя стека, но на практике редко бывает, чтобы хранящимся в контейнере данным нужно было обращаться к самому контейнеру, а если такое и случается, то сразу видно. Поэтому бремя ответственности не слишком тяжело.

Но не всегда всё так просто, и пример мы видели при рассмотрении оператора сравнения в разделе 3.2.4. В этом конкретном случае есть возможность захватить мьютексы одновременно, но так бывает не всегда. Пример связанного списка из раздела 3.1 дает еще один способ защитить список — хранить мьютекс в каждом узле. Тогда, чтобы получить доступ к списку, поток должен будет захватить мьютекс для каждого интересующего его узла. Так, чтобы удалить элемент, надо будет захватить мьютексы трех узлов — удаляемого, предшествующего и последующего, — постольку все они так или иначе модифицируются. Аналогично для обхода списка поток должен удерживать мьютекс текущего узла, пока не захватит мьютекс следующего за ним; это гарантирует, что никто не может изменить указатель на следующий узел. Захватив мьютекс следующего узла, можно освободить мьютекс текущего, так как больше он не понадобится.

Такой способ «передачи из рук в руки» позволяет нескольким потокам одновременно обходить список при условии, что разные потоки обращаются к разным узлам. Но чтобы предотвратить взаимоблокировку, узлы следует обходить в одном и том же порядке; если один поток обходит список в одном направлении, а другой в противоположном, то при передаче мьютексов «из рук в руки» в середине списка может произойти взаимоблокировка. Если узлы А и В соседние, то поток, который обходит список в прямом направлении, попытается захватить мьютекс В, удерживая мьютекс А. В то же время поток, который обходит список в обратном направлении, попытается захватить мьютекс А, удерживая мьютекс В. Вот мы и получили классическую взаимоблокировку.

Рассмотрим еще ситуацию удаления узла В, расположенного между А и С. Если поток захватывает мьютекс В раньше, чем мьютексы А и С, то возможна взаимоблокировка с потоком, который обходит список. Такой поток попытается сначала захватить мьютекс А или С (в зависимости от направления обхода), но потом обнаружит, что не может захватить мьютекс В, потому что поток, выполняющий удаление, удерживает этот мьютекс, пытаясь в то же время захватить мьютексы А и С.

Предотвратить в этом случае взаимоблокировку можно, определив порядок обхода, так что поток всегда должен захватывать мьютекс А раньше мьютекса В, а мьютекс В раньше мьютекса С. Это устранило бы возможность взаимоблокировки, но ценой запрета обхода в обратном направлении. Подобные соглашения можно принять и для других структур данных.

Пользуйтесь иерархией блокировок

Являясь частным случаем фиксированного порядка захвата мьютексов, иерархия блокировок в то же время позволяет проверить соблюдение данного соглашения во время выполнения. Идея в том, чтобы разбить приложение на отдельные слои и выявить все мьютексы, которые могут быть захвачены в каждом слое. Программе будет отказано в попытке захватить мьютекс, если она уже удерживает какой-то мьютекс из нижележащего слоя. Чтобы проверить это во время выполнения, следует приписать каждому мьютексу номер слоя и вести учет мьютексам, захваченным каждым потоком. В следующем листинге приведен пример двух потоков, пользующихся иерархическим мьютексом.

Листинг 3.7. Использование иерархии блокировок для предотвращения взаимоблокировки

hierarchical_mutex high_level_mutex(10000); ←(1)

hierarchical_mutex low_level_mutex(5000);   ←(2)

int do_low_level_stuff();

int low_level_func() {

 std::lock_guard lk(low_level_mutex); ←(3)

 return do_low_level_stuff();
}

void high_level_stuff(int some_param);

void high_level_func() {

 std::lock_guard lk(high_level_mutex); ←(4)

 high_level_stuff(low_level_func());                       ←(5)

}

void thread_a() { ←(6)

 high_level_func();
}

hierarchical_mutex other_mutex(100); ←(7)

void do_other_stuff();

void other_stuff() {

 high_level_func(); ←(8)

 do_other_stuff();
}

void thread_b() { ←(9)

 std::lock_guard lk(other_mutex); ←(10)

 other_stuff();
}

Поток thread_a()(6) соблюдает правила и выполняется беспрепятственно. Напротив, поток thread_b()