X B(А); // потенциальная ошибка
...
B = A; // потенциальная ошибка
if (А == В) { ... } // потенциальная ошибка
Обратите внимание, что все объекты данных, для которых могут наблюдаться обсуждаемые эффекты, должны быть доступны вне потока, то есть быть глобальными с точки зрения видимости в потоке.
Именно для безопасного манипулирования данными в параллельной среде QNX API и вводятся атомарные операции. Десять атомарных функций делятся на две симметричные группы по виду своего именования и логике функционирования. Все атомарные операции осуществляются только над одним типом данных unsigned int, но, как будет показано далее, это не такое уж и сильное ограничение. Сам объект, над которым осуществляется атомарная операция (типа unsigned int), — это самая обычная переменная целочисленного типа, только описанная с квалификатором volatile.
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;
