QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

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 битыв значении операнда (выполняется побитовая операция ( *D) &= ~S);

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

toggle— инвертировать битыв 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 Dимел до выполнения операции (т.e. прежнее значение, как это делают, например, префиксные операции инкремента ++Dи 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