C++. Сборник рецептов - Д. Стефенс

};

Queue<std::string> queueOfStrings;

void sendSomething() {

 std::string s;

 for (int i = 0; i < 10; ++i) {

  queueOfStrings.enqueue("Cyrus");

 }

}

void recvSomething() {

 std::string s;

 for(int i = 0; i < 10; ++i) {

  try {

   s = queueOfStrings.dequeue();

  } catch(...) {}

 }

}

int main() {

 boost::thread thr1(sendSomething);

 boost::thread thr2(recvSomething);

 thr1.join();

 thr2.join();

}

Обеспечение потокозащищенности классов, функций, блоков программного кода и других объектов является сущностью многопоточного программирования. Если вы проектируете какой-нибудь компонент программного обеспечения с возможностями многопоточной обработки, то можете постараться обеспечить каждый поток своим набором ресурсов, например объектами в стеке и динамической памяти, ресурсами операционной системы и т.д. Однако рано или поздно вам придется обеспечить совместное использование различными потоками каких-либо ресурсов. Это может быть совместная очередь поступающих запросов (как это происходит на многопоточном веб-сервере) или нечто достаточно простое, как поток вывода (например, в файл журнала или даже в cout). Стандартный способ координации безопасного совместного использования ресурсов подразумевает применение мьютекса (mutex), который обеспечивает монопольный доступ к чему-либо.

Остальная часть обсуждения в целом посвящена мьютексам, и в частности методам использования boost::mutex для сериализации доступа к ресурсам. Я использую терминологию подхода «концепция/модель», о котором я говорил кратко во введении настоящей главы. Концепция — это абстрактное (независимое от языка) описание чего-либо, а модель концепции — конкретное ее представление в форме класса С++. Уточнение концепции — это определенная концепция с некоторыми дополнительными возможностями.

Все-таки параллельное программирование представляет собой сложную тему, и в одном рецепте нельзя отразить все применяемые в этой технологии методы. Можно использовать много шаблонов проектирования и разных стратегий, подходящих для различных приложений. Если при проектировании программного обеспечения вы предполагаете, что многопоточная обработка составит значительный объем, или проектируете высокопроизводительные приложения, необходимо прочитать хорошую книгу по шаблонам многопоточной обработки. Многие проблемы, связанные с трудностями отладки многопоточных программ, могут быть успешно преодолены за счет тщательного и продолжительного проектирования.

Концепция мьютекса проста: мьютекс это некий объект, представляющий ресурс; только один поток может его блокировать или разблокировать в данный момент времени. Он является флагом, который используется для координации доступа к ресурсу со стороны нескольких пользователей. В библиотеке Boost Threads моделью концепции мьютекса является класс boost::mutex. В примере 1 2.2 доступ для записи в классе Queue обеспечивается переменной-членом mutex.

boost::mutex mutex_;

mutex_ должен блокироваться какой-нибудь функцией-членом, которая должна изменять состояние очереди обслуживаемых элементов. Сам объект mutex_ ничего не знает о том, что он представляет. Это просто флаг блокировки/разблокировки, используемый всеми пользователями некоторого ресурса.

В примере 12.2, когда какая-нибудь функция-член класса Queue собирается изменить состояние объекта, она сначала должна заблокировать mutex_. Только один поток в конкретный момент времени может его заблокировать, что не позволяет нескольким объектам одновременно модифицировать состояние объекта Queue. Таким образом, мьютекс mutex представляет собой простой сигнальный механизм, но это нечто большее, чем просто bool или int, потому что для mutex необходим сериализованный доступ, который может быть обеспечен только ядром операционной системы. Если вы попытаетесь сделать то же самое с bool, это не сработает, потому что ничто не препятствует одновременной модификации состояния bool несколькими потоками. (В разных операционных системах это осуществляется по-разному, и именно поэтому не просто реализовать переносимую библиотеку потоков.)

Объекты mutex блокируются и разблокируются, используя несколько различных стратегий блокировки, самой простой из которых является блокировка scoped_lock. scoped_lock — это класс, при конструировании объекта которого используется аргумент типа mutex, блокируемый до тех пор, пока не будет уничтожена блокировка lock. Рассмотрим функцию-член enqueue в примере 12.2, которая показывает, как scoped_lock работает совместно с мьютексом mutex_.

void enqueue(const T& x) {

 boost::mutex::scoped_lock lock(mutex_);

 list_.push_back(x);

} // разблокировано!

Когда lock уничтожается, mutex_ разблокируется. Если lock конструируется для объекта mutex, который уже заблокирован другим потоком, текущий поток переходит в состояние ожидания до тех пор, пока lock не окажется доступен.

Такой подход поначалу может показаться немного странным: а почему бы мьютексу mutex не иметь методы lock и unlock? Применение класса scoped_lock, который обеспечивает блокировку при конструировании и разблокировку при уничтожении, на самом деле более удобно и менее подвержено ошибкам. Когда вы создаете блокировку, используя scoped_lock, мьютекс блокируется на весь период существования объекта scoped_lock, т.е. вам не надо ничего разблокировать в явной форме на каждой ветви вычислений. С другой стороны, если вам приходится явно разблокировать захваченный мьютекс, необходимо гарантировать перехват любых исключений, которые могут быть выброшены в вашей функции (или где-нибудь выше ее в стеке вызовов), и гарантировать разблокировку mutex. При использовании scoped_lock, если выбрасывается исключение или функция возвращает управление, объект scoped_lock автоматически уничтожается и mutex разблокируется.

Использование мьютекса позволяет сделать всю работу, однако хочется немного большего. При таком подходе нет различия между чтением и записью, что существенно, так как неэффективно заставлять потоки ждать в очереди доступа к ресурсу, когда многие из них выполняют только операции чтения, для которых не требуется монопольный доступ. Для этого в библиотеке Boost Threads предусмотрен класс read_write_mutex. Пример 12.3 показывает, как можно реализовать пример 12.2, используя read_write_mutex с функцией-членом front, которая позволяет вызывающей программе получить копию первого элемента очереди без его выталкивания.

Пример 12.3. Использование мьютекса чтения/записи

#include <iostream>

#include <boost/thread/thread.hpp>

#include <boost/thread/read_write_mutex.hpp>

#include <string>

template<typename T>

class Queue {

 public:

 Queue() : // Использовать мьютекс чтения/записи и придать ему приоритет

           // записи

 rwMutex_(boost::read_write_scheduling_policy::writer_priority) {}

 ~Queue() {}

 void enqueue(const T& x) {

  // Использовать блокировку чтения/записи, поскольку enqueue

  // обновляет состояние

  boost::read_write_mutex::scoped_write_lock writeLock(rwMutex_);

  list_.push_back(x);

 }

 T dequeue() {

  // Снова использовать блокировку для записи

  boost::read_write_mutex::scoped_write_lock writeLock(rwMutex_);

  if (list_.empty())

   throw "empty!";

  T tmp = list_.front();

  list_.pop_front();

  return(tmp);

 }

 T getFront() {

  // Это операция чтения, поэтому требуется блокировка только для чтения

  boost::read_write_mutex::scoped_read_lock.readLock(rwMutex_);

  if (list_.empty())

   throw "empty!";

  return(list_.front());

 }

private:

 std::list<T> list_;

 boost::read_write_mutex rwMutex_;

};

Queue<std::string> queueOfStrings;

void sendSomething() {

 std::string s;

 for (int i = 0, i < 10; ++i) {

  queueOfStrings.enqueue("Cyrus");

 }

}

void checkTheFront() {

 std::string s;

 for (int i=0; i < 10; ++i) {

  try {

   s = queueOfStrings.getFront();

  } catch(...) {}

 }

}

int main() {

 boost::thread thr1(sendSomething);

 boost::thread_group grp;