QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

Цилюрик Олег Иванович

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;

Но так делать нельзя: при таком решении у нас появляются 2 проблемы, одна из которых очевидна, а другая — не очень:

1. Выводы разных потоков могут «смешиваться»; более того, за счет буферизации вывода

некоторые «рваные» фрагменты мы будем наблюдать дважды. Одним словом, наш вывод окажется полностью «нечитабельным».

2. При осуществлении вывода в контексте потока почти наверняка в процессе вывода будут выполняться системные вызовы, которые потребуют новой диспетчеризации и приведут к вытеснению исходного потока. При этом порядок передачи управления от потока к потоку при наличии отладочного вывода будет отличаться от порядка при его отсутствии. А это, наверное, не совсем то, что мы ожидали. В результате при наличии отладочного вывода мы можем наблюдать совсем не ту картину, для изучения которой этот вывод, собственно, и предназначен.

Эти эффекты не связаны с какой-то конкретной формой вывода, такой как вывод в поток, показанный выше; точно так же будет вести себя и традиционный вызов

printf(...)

.

Проблема очень просто решается, если вместо непосредственного вывода из потоков последовательно сбрасывать все сообщения в промежуточный буфер, который будет выводиться в те периоды времени программы, когда запись в него не производится:

const int N = ... , M = ...;

char buf[N];

volatile unsigned ind = 0;

...

// а вот это производится из каждого потока

char tbuf[M];

sprintf(tbuf, "Это вывод потока %X", pthread_self);

strcpy(buf + atomic_add_value(ind, strlen(tbuf)), tbuf);

И наконец, последнее: есть ли смысл во введении этого дополнительного механизма, если всегда существует альтернативная форма организации такой же защиты доступа посредством критической секции (например, при использовании мьютекса)? Сравним ( файл a1.cc) временные затраты при многократном изменении значения переменной для случаев атомарных операций и критической секции на базе мьютекса (мы берем именно мьютекс, потому что из всех примитивов синхронизации он самый низкоуровневый и быстрый):

Сравнение мьютекса и двух форм вызова атомарной операции

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <iostream.h>

#include <unistd.h>

#include <inttypes.h>

#include <pthread.h>

#include <sys/neutrino.h>

#include <atomic.h>

int main(int argc, char *argv[]) {

uint64_t N = 100000;

bool atom = false, value = false;

int opt, val;

while ((opt = getopt(argc, argv, "n:av")) != -1) {

switch(opt) {

case 'n': //

количество повторений

if (sscanf(optarg, "%i", &val) != 1)

cout << "parse command line error" << endl, exit(EXIT_FAILURE);

if (val > 0) N = val;

break;

// использовать атомарные операции

case 'a':

atom = true;

break;

// использовать форму, возвращающую значение

case 'v':

value = true;

break;

default:

exit(EXIT_FAILURE);

}

}

// замеряется количество процессорных циклов для каждого случая

uint64_t i = N, t = ClockCycles;

volatile unsigned ind = 0;

if (!atom) {

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

while (i--) {

pthread_mutex_lock(&mutex);

ind++;

pthread_mutex_unlock(&mutex);

}

} else if (value)

while (i--) atomic_add_value(&ind, 1);

else while (i--) atomic_add(&ind, 1);

t = ClockCycles - t;

cout << "all cycles - " << t << "; on operation - "

<< t / N << endl;

exit(EXIT_SUCCESS);

}

Вот результат при использовании критической секции:

# nice -n-19 a1 -n10000000

all cycles - 1120872156; on operation - 112

Результат с применением атомарной операции, не возвращающей значения:

# nice -n-19 a1 -n10000000 -a

all cycles — 391018203; on operation - 39

Результат с применением атомарной операции, возвращающей значение (обещанная разница составляет порядка 10%):