Архитектура компьютера и операционные системы

Семинар 23. Синхронизация потоков

Архитектура компьютера и операционные системы @ ВШЭ, 2018-2019

Data race

Если несколько потоков одновременно обращаются к одной и той же ячейке памяти, причем хотя бы один из потоков выполняет запись в эту ячейку, такая ситуация называется data race
В случае, когда два потока одновременно работают со сложным объектом, а не с примитивным типом, необходимо понять, является ли объект потокобезопасным
Как правило, если методы не модифицируют объект, то их можно вызывать параллельно, а если модифицируют - то нельзя

На всех современных процессорах операции чтения из памяти и записи в память натурально-выравненных значений размера не более машинного слова атомарны
Это означает, что в случае одновременного чтения одним ядром и записи другим ядром значения по одному и тому же адресу, значение не "рассыпется на куски" частично старого, а частично нового значения
Такая семантика чтения и записи явно и неявно используется в большом объеме существующего программного кода

Строго говоря, с точки зрения стандартов Си и Си++ предположение об атомарности памяти некорректно
Более того, даже примитивные операции (++i;) не атомарны даже при атомарности памяти
Ключевое слово volatile не дает никакой гарантии атомарности, использовать его для этого нельзя
Для атомарных операций в C и C++ необходимо использовать специальные контрукции

Параллельная работа с атомарными переменными свободна от гонок
Может быть lock-free с помощью специальных инструкций процессора, либо используется мьютекс

В C++ используется std::atomic. Гарантированно lock-free для bool, на практике - примитивные типы тоже
В C - ключевое слово _Atomic, заголовочный файл stdatomic.h, atomic_bool, atomic_int, ...
Поддерживаются основные операции (=, +=, ...)
Подробнее, подробнее

Lock-free atomic-примитивы используются для построения lock-free структур данных. В таких структурах данных изменения для внешнего пользователя происходят атомарно
Обычно в lock-free структурах данных сначала подготавливаются изменения, а затем атомарно применяются
Пример - вставка в односвязный список

Примитив синхронизации, который может быть заблокирован или разблокирован
Если мьютекс заблокирован, то следующая попытка блокировки будет ожидать предварительной разблокировки
Позволяет выделять "критические секции" - участки кода, для которых важно, чтобы только один поток мог одноврененно в них находиться

pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&counter_mutex);
pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);

Мы хотим иметь возможность поместить поток в состояние сна (блокировки), а когда наступит какое-то нужное нам событие, разбудить один или все потоки, которые спят в ожидании этого события
pthread_cond_wait - ожидание получение сигнала
pthread_cond_signal - послать сигнал одному из ожидающих потоков
pthread_cond_broadcast - послать сигнал всем ожидающим потокам
Используется мьютекс для избежания гонок