Проблематичные состояния гонки обычно возникают, когда для завершения операции необходимо модифицировать два или более элементов данных, например два связующих указателя в примере выше. Поскольку элементов несколько, то их модификация производится разными командами, и может случиться, что другой поток обратится к структуре данных в момент, когда завершилась только одна команда. Зачастую состояние гонки очень трудно обнаружить и воспроизвести, поскольку она происходит в очень коротком интервале времени, — если модификации производятся последовательными командами процессора, то вероятность возникновения проблемы при конкретном прогоне очень мала, даже если к структуре данных одновременно обращается другой поток. По мере увеличения нагрузки на систему и количества выполнений операции вероятность проблематичной последовательности выполнения возрастает. И, разумеется, почти всегда такие ошибки проявляются в самый неподходящий момент. Поскольку состояние гонки так чувствительно ко времени, оно может вообще не возникнуть при запуске приложения под отладчиком, так как отладчик влияет на хронометраж программ, пусть и незначительно.
При написании многопоточных программ гонки могут изрядно отравить жизнь — своей сложностью параллельные программы в немалой степени обязаны стараниям избежать проблематичных гонок.
3.1.2. Устранение проблематичных состояний гонки
Существует несколько способов борьбы с проблематичными гонками. Простейший из них - снабдить структуру данных неким защитным механизмом, который гарантирует, что только поток, выполняющий модификацию, может видеть промежуточные состояния, в которых инварианты нарушены; с точки зрения всех остальных потоков, обращающихся к той же структуре данных, модификация либо еще не началась, либо уже завершилась. В стандартной библиотеке С++ есть несколько таких механизмов, и в этой главе мы их опишем.
Другой вариант — изменить дизайн структуры данных и ее инварианты, так чтобы модификация представляла собой последовательность неделимых изменений, каждое из которых сохраняет инварианты. Этот подход обычно называют программированием без блокировок (lock-free programming) и реализовать его правильно очень трудно; если вы работаете на этом уровне, то приходится учитывать нюансы модели памяти и разбираться, какие потоки потенциально могут увидеть те или иные наборы значений. Модель памяти обсуждается в главе 5, а программирование без блокировок — в главе 7.
Еще один способ справиться с гонками — рассматривать изменения структуры данных как транзакцию, то есть так, как обрабатываются обновления базы данных внутри транзакции. Требуемая последовательность изменений и чтений данных сохраняется в журнале транзакций, а затем атомарно фиксируется. Если фиксация невозможна, потому что структуру данных в это время модифицирует другой поток, то транзакция перезапускается. Это решение называется программной транзакционной памятью (Software Transactional Memory — STM), в настоящее время в этой области ведутся активные исследования. Мы не будем рассматривать STM в этой книге, потому что в С++ для нее нет поддержки. Однако к самой идее о том, чтобы выполнить какую-то последовательность действий и за один шаг зафиксировать результаты, я еще вернусь.
Самый простой механизм защиты разделяемых данных из описанных в стандарте С++ — это мьютекс, с него мы и начнем рассмотрение.
3.2. Защита разделяемых данных с помощью мьютексов
Итак, у нас есть разделяемая структура данных, например связанный список из предыдущего раздела, и мы хотим защитить его от гонки и нарушения инвариантов, к которым она приводит. Как было бы здорово, если бы мы могли пометить участки кода, в которых производятся обращения к этой структуре данных, взаимно исключающими, так что если один поток начинает выполнять такой участок, то все остальные потоки должны ждать, пока первый не завершит обработку данных. Тогда ни один поток, кроме выполняющего модификацию, не смог бы увидеть нарушенный инвариант.
Что ж, это вовсе не сказка — именно такое поведение вы получаете при использовании примитива синхронизации, который называется мьютекс (слово mutex происходит от mutual exclusion — взаимное исключение). Перед тем как обратиться к структуре данных, программа захватывает (lock) мьютекс, а по завершении операций с ней освобождает (unlock) его. Библиотека Thread Library гарантирует, что если один поток захватил некоторый мьютекс, то все остальные потоки, пытающиеся захватить тот же мьютекс, будут вынуждены ждать, пока удачливый конкурент не освободит его. В результате все потоки видят согласованное представление разделяемых данных, без нарушенных инвариантов.