Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ - [29]

(9) нарушает правила, поэтому во время выполнения столкнется с трудностями. Функция thread_a() вызывает high_level_func(), которая захватывает мьютекс high_level_mutex(4) (со значением уровня иерархии 10000 (1)), а затем вызывает low_level_func()(5) (мьютекс в этот момент уже захвачен), чтобы получить параметр, необходимый функции high_level_stuff(). Далее функция low_level_func() захватывает мьютекс low_level_mutex(3), и в этом нет ничего плохого, так как уровень иерархии для него равен 5000 (2), то есть меньше, чем для high_level_mutex.

С другой стороны, функция thread_b() некорректна. Первым делом она захватывает мьютекс other_mutex(10), для которого уровень иерархии равен всего 100 (7). Это означает, что мьютекс призван защищать только данные очень низкого уровня. Следовательно, когда функция other_stuff() вызывает high_level_func()(8), она нарушает иерархию — high_level_func() пытается захватить мьютекс high_level_mutex, уровень иерархии которого (10000) намного больше текущего уровня иерархии 100. Поэтому hierarchical_mutex сообщит об ошибке, возбудив исключение или аварийно завершив программу. Таким образом, взаимоблокировки между иерархическими мьютексами невозможны, так как они сами следят за порядком захвата. Это означает, что программа не может удерживать одновременно два мьютекса, находящихся на одном уровне иерархии, поэтому в схемах «передачи из рук в руки» требуется, чтобы каждый мьютекс в цепочке имел меньшее значение уровня иерархии, чем предыдущий, — на практике удовлетворить такому требованию не всегда возможно.

На этом примере демонстрируется еще один момент — использование шаблона std::lock_guard<>, конкретизированного определенным пользователем типом мьютекса. Тип hierarchical_mutex не определен в стандарте, но написать его несложно — простая реализация приведена в листинге 3.8. Хотя этот тип определен пользователем, его можно употреблять совместно с std::lock_guard<>, потому что в нем имеются все три функции-члена, необходимые для удовлетворения требований концепции мьютекса: lock(), unlock() и try_lock(). Мы еще не видели, как используется функция try_lock(), но ничего хитрого в ней нет — если мьютекс захвачен другим потоком, то функция сразу возвращает false, а не блокирует вызывающий поток в ожидании освобождения мьютекса. Она может вызываться также из функции std::lock() для реализации алгоритма предотвращения взаимоблокировок.

Листинг 3.8. Простая реализация иерархического мьютекса

class hierarchical_mutex {
 std::mutex internal_mutex;
 unsigned long const hierarchy_value;
 unsigned previous_hierarchy_value;
 static thread_local

  unsigned long this_thread_hierarchy_value;←(1)

 void check_for_hierarchy_violation() {

  if (this_thread_hierarchy_value <= hierarchy_value) ←(2)

  {
   throw std::logic_error("mutex hierarchy violated");
  }
 }

 void update_hierarchy_value() {

  previous_hierarchy_value = this_thread_hierarchy_value; ←(3)

  this_thread_hierarchy_value = hierarchy_value;
 }

public:
 explicit hierarchical_mutex(unsigned long value):
  hierarchy_value(value),
  previous_hierarchy_value(0) {}

 void lock() {
  check_for_hierarchy_violation();

  internal_mutex.lock();    ←(4)

  update_hierarchy_value(); ←(5)

 }

 void unlock() {

  this_thread_hierarchy_value = previous_hierarchy_value; ←(6)

  internal_mutex.unlock();
 }

 bool try_lock() {
  check_for_hierarchy_violation();

  if (!internal_mutex.try_lock()) ←(7)

   return false;
  update_hierarchy_value();
  return true;
 }
};

thread_local unsigned long

hierarchical_mutex::this_thread_hierarchy_value(ULONG_MAX);←(8)

Главное здесь — использование значения типа thread_local для представления уровня иерархии в текущем потоке, this_thread_hierarchy_value(1). Оно инициализируется максимально возможным значением (8), так что в начальный момент можно захватить любой мьютекс. Поскольку переменная имеет тип thread_local, то в каждом потоке хранится отдельная ее копия, то есть состояние этой переменной в одном потоке не зависит от ее состояния в любом другом. Дополнительные сведения о thread_local см. в разделе А.8 приложения А.

Итак, при первом захвате потоком объекта hierarchical_mutex значение this_thread_hierarchy_value в нем будет равно ULONG_MAX. Это число по определению больше любого другого представимого в программе, потому проверка в функции check_for_hierarchy_violation()(2) проходит. Раз так, то функция lock() просто захватывает внутренний мьютекс (4). Успешно выполнив эту операцию, мы можем изменить значение уровня иерархии (5).

Если теперь попытаться захватить другой объект hierarchical_mutex, не освободив первый, то в переменной this_thread_hierarchy_value будет находиться уровень иерархии первого мьютекса. Чтобы проверка (2) завершилась успешно, уровень иерархии второго мьютекса должен быть меньше уровня уже удерживаемого.

Теперь мы должны сохранить предыдущее значение уровня иерархии в текущем потоке, чтобы его можно было восстановить в функции unlock()(6). В противном случае нам больше никогда не удалось бы захватить мьютекс с более высоким уровнем иерархии, даже если поток не удерживает ни одного мьютекса. Поскольку мы сохраняем предыдущий уровень иерархии только в случае, когда удерживаем