[C++] часть 2: МЬЮТЕКС. Пишем наш первый код для многопоточной среды

Question

[C++] часть 2: МЬЮТЕКС. Пишем наш первый код для многопоточной среды

В прошлой статье мы разобрались с тем, что такое конкурентность/параллелизм и зачем нужна синхронизация. Настала пора изучить примитивы синхронизации, которые предлагает нам стандартная библиотека шаблонов C++.

Первым из них будет std::mutex. Но сначала ознакомьтесь с картой статьи (она пригодится, если вы вдруг запутаетесь).

Итак, начнём.

Что такое мьютекс?

Мьютекс (англ. mutex, от mutual exclusion — «взаимное исключение») — это базовый механизм синхронизации. Он предназначен для организации взаимоисключающего доступа к общим данным для нескольких потоков с использованием барьеров памяти (для простоты можно считать мьютекс дверью, ведущей к общим данным).

Синтаксис

Заголовочный файл | #include <mutex>
Объявление | std::mutex mutex_name;
Захват мьютекса | mutex_name.lock();Поток запрашивает монопольное использование общих данных, защищаемых мьютексом. Дальше два варианта развития событий: происходит захват мьютекса этим потоком (и в этом случае ни один другой поток не сможет получить доступ к этим данным) или поток блокируется (если мьютекс уже захвачен другим потоком).
Освобождение мьютекса | mutex_name.unlock();
Когда ресурс больше не нужен, текущий владелец должен вызвать функцию разблокирования unlock, чтобы и другие потоки могли получить доступ к этому ресурсу. Когда мьютекс освобождается, доступ предоставляется одному из ожидающих потоков.

#include <mutex>

#include <vector>std::mutex door;    // объявление мьютекса

std::vector<int> v; // общие данные                      door.lock();

/*-----------------------*/                                        /* Это потокобезопасная зона: допускается только один поток за раз

 * 

 * Гарантируется монопольное использование вектора v 

 */                                                               /*-----------------------*/

door.unlock();

Как создать потокобезопасную очередь

Разберёмся, как реализовать простейшие потокобезопасные очереди, то есть очереди с безопасным доступом для потоков.
В библиотеке стандартных шаблонов уже есть готовая очередь (rawQueue). Наша реализация будет предполагать: а) извлечение и удаление целочисленного значения из начала очереди и б) добавление нового в конец очереди. И всё это при обеспечении потокобезопасности.

Сначала выясним, почему и как эти две операции могут создавать проблемы для многопоточности.

Извлечение и удаление
Для извлечения и удаления значения из начала очереди необходимо выполнить три операции:
1. Проверить, не пуста ли очередь.
2. Если нет, получается ссылка на начало очереди (rawQueue.front()).
3. Удаляется начало очереди (rawQueue.pop()).
В промежутках между этими этапами к очереди могут получать доступ и другие потоки с целью внесения изменений или чтения. Попробуйте сами.

Например:

Удалили “1”, хотя до его извлечения даже не дошли, потому что поток B извлекает 0 и удаляет 1.
Дальше — больше: если rawQueue состоит из одного элемента, поток B видит непустую очередь, и тут же поток A удаляет последнее значение. Теперь поток B пытается удалить первое значение из пустой очереди, приводя к **неопределённому поведению.** Настоящая страшилка!

Добавление
Рассмотрим теперь добавление нового значения с помощью rawQueue.push(): новый элемент добавляется в конец контейнера и становится следующим за последним на данный момент элементом. Дальше на единицу увеличивается размер. Заметили здесь проблему? А что, если два потока одновременно добавят новое значение, увидев этот последний элемент? И что может произойти в интервале между добавлением нового элемента и увеличением размера? Кто-нибудь возьмёт да и прочитает неправильный размер.

Получается, мы должны быть уверены, что никто не будет трогать очередь, пока мы выполняем наши задачи. Используем мьютекс для защиты этих многоступенчатых операций и сделаем так, чтобы все вместе они смотрелись как одна атомарная операция.

#include <mutex>

#include <queue>



class threadSafe_queue {



    std::queue<int> rawQueue; // структура, общая для всех потоков

    std::mutex m; // красная дверь rawQueue



public:



    int& retrieve_and_delete() {

        int front_value = 0; // если пустая, возвращает 0

        m.lock();

        // Отныне текущий поток единственный, который имеет доступ к rawQueue

        if( !rawQueue.empty() ) {

            front_value = rawQueue.front();

            rawQueue.pop();

        }

        m.unlock();

        // теперь другие потоки могут захватить мьютекс

        return front_value;

    };



    void push(int val) {

        m.lock();

        rawQueue.push(val);

        m.unlock();

    };



};

Обратите внимание:

Связь между мьютексом и защищаемым ресурсом — только в голове программиста.
Мы знаем, что мьютекс m защищает rawQueue, но напрямую это не указывается.
Захват с необходимой степенью распараллеливания.
Использование мьютекса уменьшает параллелизм. Предположим, у нас только один мьютекс для защиты вектора и строки без каких-либо зависимостей (например, значение переменной не зависит от вектора и наоборот). Поток А захватывает мьютекс, читает строку и начинает обработку каких-то данных перед добавлением нового значения в вектор и освобождением мьютекса. И тут появляется поток B, который хочет внести пару изменений в строку, но при попытке захватить мьютекс (какая досада!) оказывается блокированным до того момента, пока не будут завершены все операции с вектором. Проблему решаем дополнительным мьютексом для строки (захваченным перед чтением и освобождённым сразу по завершении).
→ Всегда прикидывайте, какой объём данных будет защищён одним мьютексом.
Проводите захват только для тех операций, которым это необходимо.
См. предыдущий пункт.
Не вызывайте lock(), если мьютекс у вас уже есть.
Мьютекс уже заблокирован, и попытки повторного захвата приведут вас к состоянию бесконечного ожидания. Если он вам так нужен, можно воспользоваться классом std::recursive_mutex. Рекурсивный мьютекс можно получить одним и тем же потоком много раз, но столько же раз он должен быть и освобождён.
Используйте try_lock() или std::timed_mutex, если не хотите блокироваться и ожидать неопределённое время.
→ try_lock() — это неблокирующий метод в std::mutex. Он возвращает немедленно, даже если владение не получено, причём со значением true, если мьютекс захвачен, и false — если нет.
→ std::timed_mutex предлагает два неблокирующих метода для захвата мьютекса: try_lock_for() и try_lock_until(), причём оба возвращаются по истечении времени со значением true или false в зависимости от успешности захвата.
Не забывайте вызывать unlock() или используйте std::lock_guard (или другие шаблонные классы), когда есть возможность.
См. ниже.

Lock guard и парадигма RAII

У нас две большие проблемы с этим простым мьютексом:

Что произойдёт, если мы забудем вызвать unlock()? Ресурс будет недоступен в течение всего времени существования мьютекса, и уничтожение последнего в неразблокированном состоянии приведёт к неопределённому поведению.
Что произойдёт, если до вызова unlock() будет выброшено исключение? unlock() так и не будет исполнен, а у нас будут все перечисленные выше проблемы.

К счастью, проблемы можно решить с помощью класса std::lock_guard. Он всегда гарантированно освобождает мьютекс, используя парадигму RAII (Resource Acquisition Is Initialization, что означает «получение ресурса есть инициализация»). Вот как это происходит: мьютекс инкапсулируется внутри lock_guard, который вызывает lock() в его конструкторе и unlock() в деструкторе при выходе из области видимости. Это безопасно даже при исключениях: раскрутка стека уничтожит lock_guard, вызывая деструктор и таким образом освобождая мьютекс.

std::lock_guard<std::mutex> lock_guard_name(raw_mutex);

#include <mutex>

#include <vector>

std::mutex door;    // объявление мьютекса

std::vector<int> v;

{     

     std::lock_guard<std::mutex> lg(door); 

     /* Вызывается конструктор lg, эквивалентный door.lock();

      * lg, размещается в стеке */

     /*-----------------------*/

       

        /* Гарантируется монопольное использование вектора v */

    

     /*-----------------------*/

} /* lg выходит из области видимости. Вызывается деструктор, эквивалентный door.unlock(); */

Посмотрим теперь, как можно изменить нашу потокобезопасную очередь threadSafe_queue (на этот раз обращаем внимание на то, где освобождается мьютекс).

#include <mutex>

#include <queue>



class threadSafe_queue {



    std::queue<int> rawQueue; // структура, общая для всех потоков

    std::mutex m; // красная дверь rawQueue



public:



    int& retrieve_and_delete() {

        int front_value = 0; // если пустая, return будет 0

        std::lock_guard<std::mutex> lg(m);

        // Отныне текущий поток единственный, который имеет доступ к rawQueue

        if( !rawQueue.empty() ) {

            front_value = rawQueue.front();

            rawQueue.pop();

        }

        return front_value;

    };  // теперь другие потоки могут захватить мьютекс



    void push(int val) {

        std::lock_guard<std::mutex> lg(m);

        // отныне текущий поток единственный, который имеет доступ к rawQueue

        rawQueue.push(val);

    }; // теперь другие потоки могут захватить мьютекс

};

Unique lock, дающий свободу

Как только владение мьютексом получено (благодаря std::lock_guard), он может быть освобождён. std::unique_lock действует в схожей манере плюс делает возможным многократный захват и освобождение (всегда в таком порядке) мьютекса, используя те же преимущества безопасности парадигмы RAII.

std::unique_lock<std::mutex> unique_lock_name(raw_mutex);

#include <mutex>

#include <vector>

std::mutex door; //объявление мьютекса

std::vector<int> v;

{     

     std::unique_lock<std::mutex> ul(door); 

     // Вызывается конструктор ul, эквивалентный door.lock();

     // ul, размещённый в стеке

     // гарантируется монопольное использование вектора

    

     door.unlock();  

   

     // выполнение операций, не связанных с вектором

     // ....

     // теперь мне снова нужен доступ к вектору 

     

     door.lock();

     //Снова гарантируется монопольное использование вектора

} /* unique_lock выходит из области видимости. Вызывается деструктор, эквивалентный door.unlock(); */

Когда использовать?

Когда вам не всегда нужен захват ресурса.
Вместе с std::condition_variable (в следующей статье).
При захвате std::shared_mutex в эксклюзивном режиме (см. далее).

Общий мьютекс + общий захват дают больше читателей

std::mutex — это мьютекс, которым одномоментно может владеть только один поток. Однако это ограничение не всегда обязательно. Например, потоки могут одновременно и безопасно читать одни и те же общие данные. Просто читать, не производя с ними никаких изменений. Но в случае с доступом к записи только записывающий поток может иметь доступ к данным.

Начиная с C++17, std::shared_mutex формирует доступ двух типов:

Общий доступ: потоки вместе могут владеть мьютексом и иметь доступ к одному и тому же ресурсу. Доступ такого типа можно запросить с помощью std::shared_lock (lock guard для общего мьютекса). При таком доступе любой эксклюзивный доступ блокируется.
Эксклюзивный доступ: доступ к ресурсу есть только у одного потока. Запрос этого типа осуществляется с помощью класса unique lock.

Синтаксис

Заголовочный файл | #include <shared_mutex>;
Объявление | std::shared_mutex raw_sharedMutex;
Для захвата в общем режиме |
std::shared_lock<std::shared_mutex> sharedLock_name(raw_sharedMutex);
Для захвата в эксклюзивном режиме |
std::unique_lock<std::shared_mutex> uniqueLock_name(raw_sharedMutex);

#include <shared_mutex>

#include <vector>

std::shared_mutex door; //объявление мьютекса

std::vector<int> v;

int readVectorSize() {

    /* потоки могут вызывать эту функцию одновременно

     * доступ на запись запрещена, когда получен sl */    

    

    std::shared_lock<std::shared_mutex> sl(door);

    return v.size();

}

void pushElement(int new_element) {

    /* гарантирован эксклюзивный доступ к вектору */

    

    std::unique_lock<std::shared_mutex> ul(door);

    v.push_back(new_element);

}

Scoped lock, дающий больше мьютексов (и без клинча)

Впервые появившийся в C++17 и действующий в схожей манере, что и std::lock_guard, он даёт возможность получения нескольких мьютексов. Без std::scoped_lock такая операция очень опасна, так как может привести к взаимной блокировке.

Краткая история взаимоблокировки:

Поток A хочет увести 200$ с банковского счёта Жеки на счёт Бяки в виде одной атомарной операции. Он начинает с того, что захватывает мьютекс, защищающий счёт Жеки, чтобы изъять деньги, а затем пытается захватить счёт Бяки.
В то же время поток B хочет увести 100$ со счёта Бяки на счёт Жеки. Он получает захват счёта Бяки, чтобы изъять деньги и попытаться захватить счёт Жеки. Оба потока блокируются, уснув в ожидании друг друга.

std::scoped_lock одновременно захватывают (а затем освобождают) все мьютексы, передаваемые в качестве аргумента, по принципу «всё или ничего»: если хотя бы один захват выбрасывает исключение, освобождаются все уже захваченные мьютексы.

std::scoped_lock<std::mutex> scoped_lock_name(raw_mutex1, raw_mutex2, ..);

Заключение

Если вы вдруг запутались в этом ворохе новой информации:

воспользуйтесь картой в начале статьи (или составьте свою);
применяйте на практике новые знания и пробуйте писать простенький код.

До встречи в следующей статье, в которой речь пойдёт о condition_variableи вы узнаете, как синхронизировать потоки!

551 0

полезное

CPP

Comments

Ничего не найдено.