Параллельное программирование на С++ в действии

Одно из возможных применений — разрешить функции захватить мьютекс, а потом передать владение им вызывающей функции, чтобы та могла выполнить дополнительные действия под защитой того же мьютекса. Ниже приведен соответствующий пример — функция get_lock() захватывает мьютекс, подготавливает некоторые данные, а потом возвращает мьютекс вызывающей программе:

std::unique_lock get_lock() {

 extern std::mutex some_mutex;

 std::unique_lock lk(some_mutex);

 prepare_data();

 return lk; ←(1)

}

void process_data() {

 std::unique_lock lk(get_lock()); ←(2)

 do_something();

}

Поскольку lk — автоматическая переменная, объявленная внутри функции, то ее можно возвращать непосредственно (1), не вызывая std:move(); компилятор сам позаботится о вызове перемещающего конструктора. Затем функция process_data() может передать владение своему экземпляру std::unique_lock (2), и do_something() может быть уверена, что подготовленные данные не были изменены каким-то другим потоком.

Обычно подобная схема применяется, когда подлежащий захвату мьютекс зависит от текущего состояния программы или от аргумента, переданного функции, которая возвращает объект std::unique_lock. Например, так имеет смысл делать, когда блокировка возвращается не напрямую, а является членом какого-то класса-привратника, обеспечивающего корректный доступ к разделяемым данным под защитой мьютекса. В таком случае любой доступ к данным производится через привратник, то есть предварительно необходимо получить его экземпляр (вызвав функцию, подобную get_lock() в примере выше), который захватит мьютекс. Затем для доступа к данным вызываются функции-члены объекта-привратника. По завершении операции привратник уничтожается, при этом мьютекс освобождается, открывая другим потокам доступ к защищенным данным. Такой объект-привратник вполне может быть перемещаемым (чтобы его можно было возвращать из функции), и тогда тот его член, в котором хранится блокировка, также должен быть перемещаемым.

Класс std::unique_lock также позволяет экземпляру освобождать блокировку без уничтожения. Для этого служит функция-член unlock(), как и в мьютексе; std::unique_lock поддерживает тот же базовый набор функций-членов для захвата и освобождения, что и мьютекс, чтобы его можно было использовать в таких обобщенных функциях, как std::lock. Наличие возможности освобождать блокировку до уничтожения объекта std::unique_lock означает, что освобождение можно произвести досрочно в какой-то ветке кода, если ясно, что блокировка больше не понадобится. Иногда это позволяет повысить производительность приложения, ведь, удерживая блокировку дольше необходимого, вы заставляете другие потоки впустую ждать, когда они могли бы работать.

3.2.8. Выбор правильной гранулярности блокировки

О гранулярности блокировок я уже упоминал в разделе 3.2.3: под этим понимается объем данных, защищаемых блокировкой. Мелкогранулярные блокировки защищают мало данных, крупногранулярные — много. Важно не только выбрать подходящую гранулярность, но и позаботиться о том, чтобы блокировка удерживалась не дольше, чем реально необходимо. Все мы сталкивались с ситуацией, когда очередь к кассе в супермаркете перестает двигаться из-за того, что обслуживаемый покупатель вдруг выясняет, что забыл прихватить баночку соуса, и отправляется за ней, заставляя всех ждать, или из-за того, что кассирша уже готова принять деньги, а покупатель только— только полез за кошельком. Насколько было бы проще, если бы каждый подходил к кассе только после того, как купил все необходимое и подготовился оплатить покупки.

Вот так и с потоками: если несколько потоков ждут одного ресурса (кассира), то, удерживая блокировку дольше необходимого, они заставляют другие потоки проводить в очереди больше времени (не начинайте искать баночку соуса, когда уже подошли к кассе). По возможности захватывайте мьютекс непосредственно перед доступом к разделяемым данным; старайтесь производить обработку данных, не находясь под защитой мьютекса. В частности, не начинайте длительных операций, например файловый ввод/вывод, когда удерживаете мьютекс. Ввод/вывод обычно выполняется в сотни (а то и в тысячи) раз медленнее чтения или записи того же объема данных в памяти. Поэтому если блокировка не нужна для защиты доступа к файлу, то удерживание блокировки заставляет другие потоки ждать без необходимости (так как они не могут захватить мьютекс), и тем самым вы можете свести на нет весь выигрыш от многопоточной работы.