Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Помимо атомарных операций над этой переменной могут выполняться любые другие действия, которые можно считать безопасными в многопоточной среде: инициализация, присваивание значений, сравнения. Более того, при выходе программы за область возможного многопоточного доступа к этой переменной она может далее использоваться любым традиционным и привычным образом.

Важно также отметить, что термин «атомарность» относится не к особым свойствам некоторого объекта данных, а к ограниченному ряду операций, которые можно безопасно выполнять над этим объектом в многопоточной среде.

Общий вид прототипов каждой из двух групп атомарных операций следующий:

void atomic_*(volatile unsigned *D, unsigned S);

unsigned atomic_*_value(volatile unsigned *D, unsigned S);

где вместо * должно стоять имя одной из пяти операций (таким алгоритмом и обеспечивается 10 различных атомарных функций):

add — добавить численное значение к операнду;

sub — вычесть численное значение из операнда;

clr — очистить биты в значении операнда (выполняется побитовая операция (*D) &= ~S);

set — установить биты в значении операнда (выполняется побитовая операция (*D) |= S);

toggle — инвертировать биты в значении операнда (выполняется побитовая операция (*D) ^= S);

D — именно тот объект, над которым осуществляется атомарная операция;

S — второй операнд осуществляемой операции.

Две формы атомарных функций для каждой операции отличаются тем, что первая из них выполняет операцию без возврата значения, а вторая возвращает значение, которое операнд D имел до выполнения операции (т.e. прежнее значение, как это делают, например, префиксные операции инкремента ++D и декремента --D, в отличие от постфиксных D++ и D--).

Зачем нужны две формы для операции? Техническая документация QNX утверждает, что вторая форма может выполняться дольше. Справедливость этого утверждения и насколько дольше выполняется вторая форма, мы скоро увидим на примерах.

Итак, у нас есть 10 функций для выполнения пяти атомарных операций:

atomic_add()    atomic_add_value()

atomic_sub()    atomic_sub_value()

atomic_clr()    atomic_clr_value()

atomic_set()    atomic_set_value()

atomic_toggle() atomic_toggle_value()

Как используются атомарные операции? Обычно для предотвращения одновременного изменения некоторого счетчика индекса мы вынуждены создавать критическую секцию, обозначая ее, скажем, операциями над мьютексом. В частности, в следующем примере нам необходимо из различных потоков последовательно дописывать некоторые байтовые результаты в единый буфер:

// глобальные описания, доступные всем потокам

const unsigned int N = ...

uint8_t buf[N];

// индекс текущей позиции записи

unsigned int ind = 0;

// общий мьютекс, доступный каждому из потоков

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

...

// выполняется в каждом из потоков:

uint8_t res[M]; // результат некоторой операции

unsigned int how = ... // реальная длина этого результата

pthread_mutex_lock(&mutex);

memcpy((void*)buf + ind, (void*)res, how);

ind += how;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

Используя атомарные операции, мы можем этот процесс записать так (все глобальные описания остаются неизменными):

// глобальные описания, доступные всем потокам

...

// индекс текущей позиции записи

volatile unsigned int ind = 0;

...

// выполняется в каждом из потоков:

uint8_t res[M]; // результат некоторой операции

unsigned int how = ... // реальная длина этого результата

memcpy((void*)buf + atomic_add_value(ind, how), (void*)res, how);

Или даже так:

// глобальные описания, доступные всем потокам

...

// указатель текущей позиции записи:

volatile unsigned int ind = (unsigned int)buf;

...

// выполняется в каждом из потоков:

memcpy((void*)atomic_add_value(ind, how), (void*)res, how);

В последнем случае это, конечно, трюкачество, построенное на том, что в 32-разрядной архитектуре представления указателя и переменной unsigned int совпадают, но это «работающее трюкачество» и работающее иногда весьма эффективно.

Техника применения атомарных операций оказывается крайне удобной, например, при осуществлении вывода, часто диагностического, из различных потоков. Положим, нам нужно в каждом из многих потоков выводить диагностическую строку при достижении ими определенной точки исполнения:

cout << "Это вывод потока " << pthread_self() << endl;

Но так делать нельзя: при таком решении у нас появляются 2 проблемы, одна из которых очевидна, а другая — не очень:

1. Выводы разных потоков могут «смешиваться»; более того, за счет буферизации вывода некоторые «рваные» фрагменты мы будем наблюдать дважды. Одним словом, наш вывод окажется полностью «нечитабельным».

2. При осуществлении вывода в контексте потока почти наверняка в процессе вывода будут выполняться системные вызовы, которые потребуют новой диспетчеризации и приведут к вытеснению исходного потока. При этом порядок передачи управления от потока к потоку при наличии отладочного вывода будет отличаться от порядка при его отсутствии. А это, наверное, не совсем то, что мы ожидали. В результате при наличии отладочного вывода мы можем наблюдать совсем не ту картину, для изучения которой этот вывод, собственно, и предназначен.

Эти эффекты не связаны с какой-то конкретной формой вывода, такой как вывод в поток, показанный выше; точно так же будет вести себя и традиционный вызов printf(...).

Проблема очень просто решается, если вместо непосредственного вывода из потоков последовательно сбрасывать все сообщения в промежуточный буфер, который будет выводиться в те периоды времени программы, когда запись в него не производится:

const int N = ... , M = ...;

char buf[N];

volatile unsigned ind = 0;

...

// а вот это производится из каждого потока

char tbuf[M];

sprintf(tbuf, "Это вывод потока %X", pthread_self());

strcpy(buf + atomic_add_value(ind, strlen(tbuf)), tbuf);

И наконец, последнее: есть ли смысл во введении этого дополнительного механизма, если всегда существует альтернативная форма организации такой же защиты доступа посредством критической секции (например, при использовании мьютекса)? Сравним (файл a1.cc) временные затраты при многократном изменении значения переменной для случаев атомарных операций и критической секции на базе мьютекса (мы берем именно мьютекс, потому что из всех примитивов синхронизации он самый низкоуровневый и быстрый):

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <iostream.h>

#include <unistd.h>

#include <inttypes.h>

#include <pthread.h>

#include <sys/neutrino.h>

#include <atomic.h>

int main(int argc, char *argv[]) {

 uint64_t N = 100000;

 bool atom = false, value = false;

 int opt, val;

 while ((opt = getopt(argc, argv, "n:av")) != -1) {

  switch(opt) {

  case 'n': // количество повторений

   if (sscanf(optarg, "%i", &val) != 1)

    cout << "parse command line error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

   if (val > 0) N = val;

   break;

  // использовать атомарные операции

  case 'a':

   atom = true;

   break;

  // использовать форму, возвращающую значение

  case 'v':

   value = true;

   break;

  default:

   exit(EXIT_FAILURE);

  }

 }

 // замеряется количество процессорных циклов для каждого случая

 uint64_t i = N, t = ClockCycles();

 volatile unsigned ind = 0;

 if (!atom) {

  pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

  while (i--) {

   pthread_mutex_lock(&mutex);

   ind++;

   pthread_mutex_unlock(&mutex);

  }

 } else if (value)

  while (i--) atomic_add_value(&ind, 1);

 else while (i--) atomic_add(&ind, 1);

 t = ClockCycles() - t;

 cout << "all cycles - " << t << "; on operation - "

  << t / N << endl;

 exit(EXIT_SUCCESS);

}

Вот результат при использовании критической секции:

# nice -n-19 a1 -n10000000

all cycles - 1120872156; on operation - 112

Результат с применением атомарной операции, не возвращающей значения:

# nice -n-19 a1 -n10000000 -a

all cycles — 391018203; on operation - 39

Результат с применением атомарной операции, возвращающей значение (обещанная разница составляет порядка 10%):

# nice -n-19 a1 -n10000000 -a -v