ПВТ - осень 2014 - Лекция 7. Многопоточное...

Лекция 7. Многопоточное программирование без блокировок. Модель потребитель-производитель. Потокобезопасный стек

Пазников Алексей АлександровичКафедра вычислительных систем СибГУТИ

Сайт курса: http://cpct.sibsutis.ru/~apaznikov/teaching/Вопросы: https://piazza.com/sibsutis.ru/fall2014/pct14/home

Параллельные вычислительные технологииОсень 2014 (Parallel Computing Technologies, PCT 14)

Программирование без блокировок

2

Если вы думаете, что программирование без блокировок это просто, значит или вы - один из тех 50, которые умеют

это делать, или же используете атомарные инструкции недостаточно аккуратно.

Герб Саттер

Цели многопоточного программирования без блокировок

3

Однопоточная программа

Многопоточная программа с блокировками

Многопоточная программа без блокировок

Цели многопоточного программирования без блокировок

▪ Повышение масштабируемости путём сокращения блокировок и ожиданий в алгоритмах и структурах данных.

▪ Решение проблем, связанных с блокировками:

▫ Гонки: нужно не забыть заблокировать, причём именно нужный участок кода

▫ Дедлоки: необходимо запирать в нужном порядке различные потоки

▫ Сложность выбора критической секции (простота или масштабируемость)

▫ Голоданеие, инверсия приоритетов и др.4

Виды алгоритмов, свободных от блокировок

▪ Свободные от ожиданий (wait-free). “Никто никогда не ждёт”. Каждая операция завершается за N шагов без каких-либо условий. Гарантии:

▫ максимум пропускной способности системы

▫ отсутствие голодания

▪ Свободные от блокировок (lock-free). “Всегда какой-то из потоков работает”. Каждый шаг приближает итоговое решение. Гарантии:

▫ максимум пропускной способности системы

▫ отсутствие голодания (один поток может постоянно ожидать)

▪ Свободные от остановок (obstruction-free). “Поток работает, если нет конфликтов”. За ограниченное число шагов один поток, при условии, что другие потоки остановлены, достигает результата.

▫ Все потоки не блокируются из-за проблем (задержек, ошибок) с другими потоками.

▫ Не гарантируется прогресс, если одновременно работают два или больше потоков. 5

Реализация спинлока на основе атомарного флага

class spinlock_mutex { std::atomic_flag flag;

public: spinlock_mutex(): flag{ATOMIC_FLAG_INIT} { }

void lock() { while (flag.test_and_set( std::memory_order_acquire)); }

void unlock() { flag.clear(std::memory_order_release); }};

n.b. Можно использовать с lock_guard и unique_guard! 6

Реализация модели потребитель-производитель без блокировок

7

Производитель-потребитель на основе блокировок

8

Производитель

Потребитель




void producer() {

while (ThereAreTasks()) { task = BuildNewTask(); std::unique_lock<std::mutex> lock{mut}; queue.push(task); lock.unlock(); cv.notify(); }

std::unique_lock<std::mutex> lock{mut}; queue.push(done); // добавить признак окончания lock.unlock(); cv.notify();}

9


void consumer() { task = nullptr; while (task != done) { std::unique_lock<std::mutex> lock{mut}; cv.wait(mut, []{ return queue.empty(); }); task = queue.first(); if (task != done) queue.pop(); }

if (task != done) DoWork(task);}

10

Производитель-потребитель без блокировок

11

is empty?

empty

is empty?

is empty?

empty

is empty?

is empty?

empty

is empty?

is empty?

empty

is empty?


12

put out

is empty?

is empty?

empty

put out

full

is empty?

empty full

is empty?

is empty?

is empty?


13

is empty?

is empty?

empty

put in

full

is empty?

empty full

is empty?

process process

is empty?


14

is empty?

is empty?

put in

full

is empty?

empty full

is empty?

process process

full

is empty?


15

is empty?

is empty?

full

is empty?

full

is empty?

is empty?

empty fulldone done

put indone flag

put output out


16

is empty?

full

is empty?

full

is empty?

done donefull

done

put out

empty

is empty?

put indone flag


17

full

is empty?

full

is empty?

done donefull

done

is empty?

is empty?

donefull

put out


18

full

is empty?

full

is empty?

done donefull

done

is empty?

is empty?

donefull


19

Empty Task Done

Start

End




20

curr = 0; // указатель на текущий слотwhile (ThereAreMoreTasks()) { task = AllocateAndBuildNewTask(); while (slot[curr] != null) // если null, то проверить curr = (curr + 1) % numOfConsumers; // следующий слот slot[curr] = task; sem[curr].signal();}


21

curr = 0; // указатель на текущий слотwhile (ThereAreMoreTasks()) { task = AllocateAndBuildNewTask(); while (slot[curr] != null) // если null, то проверить curr = (curr + 1) % numOfConsumers; // следующий слот slot[curr] = task; sem[curr].signal();}

// Фаза 2: выставить флаги “done” во всех слотахnumNotified = 0;while (numNotified < numOfConsumers) { while (slot[curr] != null) // если null, то проверить curr = (curr + 1) % numOfConsumers; // следующий slot[curr] = done; // освободить слот sem[curr].signal(); ++numNotified;}


22

task = null;while (task != done)

// Дождаться, когда слот будет полным while ((task = slot[mySlot]) == null) sem[mySlot].wait();

if (task != done) { slot[mySlot] = null; // помечаем слот пустым DoWork(task); // выполняем задачу } // вне критической секции}


23



if (task != done) { slot[mySlot] = null; // помечаем слот пустым DoWork(task); // выполняем задачу } // вне критической секции}

Как применить модель памяти С++?

Производитель, модель памяти С++

24

curr = 0; while (ThereAreMoreTasks()) { task = AllocateAndBuildNewTask();

while (slot[curr] != null) // acquire null curr = (curr + 1) % numOfConsumers; slot[curr] = task; // release non-null sem[curr].signal();}// Фаза 2: выставить флаги “done” во всех слотахnumNotified = 0;while (numNotified < numOfConsumers) { while (slot[curr] != null) // acquire null curr = (curr + 1) % numOfConsumers; slot[curr] = done; // release done sem[curr].signal(); ++numNotified;}

Птребитель, модель памяти С++

25


// Дождаться, когда слот будет полным while ((task = slot[mySlot]) // acquire non-null == null) sem[mySlot].wait();

if (task != done) { slot[mySlot] = null; // release null DoWork(task); } }

Производитель-потребитель, класс алгоритма

26



Алгоритм - свободный от ожиданий, свободный от блокировок или свободный от остановок?

Производитель-потребитель, класс алгоритма

27



Алгоритм - свободный от ожиданий, свободный от блокировок или свободный от остановок?

Этап 2:Свободная от остановок

Этап 1:Свободный от ожиданий


28



if (task != done) { slot[mySlot] = null; DoWork(task); } }

можно ли поменять две строки?нужно ли это сделать?

Реализация стека, свободного от блокировок, на основе сборщика мусора

29

Стек, свободный от блокировок

30

T T T T

head

1. Конструктор

2. Деструктор

3. Поиск узла (find)

4. Добавление узла (push)

5. Удаление узла (pop)

Стек, свободный от блокировок

31

template <typename T>class lfstack {public: lfstack(); ~lfstack(); T* find(T data) const; // найти элемент, равный data void push(T data); // добавить элемент в голову

private: struct node { // атомарные операции T data; // не требуются node* next; }; std::atomic<node*> head{nullptr}; // атомарный указатель}; // на голову списка

Конструктор и деструктор

32

template <typename T>lfstack<T>::lfstack() {}

Объект создаётся в одном потоке, поэтому не нужно обеспечивать параллельный доступ. Нельзя использовать стек до тех пор, пока он не будет создан, т.е. до выполнения конструктора, и после того, как он будет уничтожен, т.е. после выполнения деструктора.

template <typename T>lfstack<T>::~lfstack() { auto first = head.load(); while (first) { auto unlinked = first; first = first->next; delete unlinked; }}

Функция push

33

1. Создать новый узел.

2. Записать в его указатель next текущее значение head.

3. Записать в head указатель на новый узел.

void push(T const& data) { auto new_node = new node{data}; // (1) node_node->next = head.load(); // (2) head = new_node; // (3)}

struct node { T data; node* next; node(T const& _data): data{_data} {}};

Функция push

34

T

head

TTT

Начальная стадия

Промежуточная стадия

T

head

TTT

T

Конечная стадия

T

head

TTT

T

Функция push

35

T

head

TTT


Промежуточная стадия выполняется двумя потоками

T

head

TTT

T

Первый добавляемый элемент пропал, остался только второй

T

head

TTT

T

T T

Функция push

36

void push(T const& data) { auto new_node = new node{data}; // (1) node_node->next = head.load(); // (2) head = new_node; // (3) while (!head.compare_exchange_weak(new_node->next, new_node)); // (3)}

1. Создать новый узел.

2. Записать в его указатель next текущее значение head.

3. Записать в head указатель на новый узел, при этом с помощью операции сравнить-и-обменять гарантировать то, что head не был модифицирован с момента чтения на шаге 2.

Функция pop (ошибочная)

37

void pop(T& result) { node* old_head = head.load(); head = head->next; result = old_head->data; }

Функция pop

38

T

head

TTT



T

head

TTT


T

head

TT

Функция pop

39

T

head

TTT



T

head

TTT


T

head

TT

B

A

A B


40

void pop(T& result) { node* old_head = head.load();

while (!head.compare_exchange_weak(old_head, old_head->next); result = old_head->data; }


41




42



std::shared_ptr<T> pop(T& result) { node* old_head = head.load(); while (old_head && !head.compare_exchange_weak(old_head, old_head->next)); return old_head ? old_head->data : std::shared_ptr<T>(); }


43

class lfstack {private: struct node { std::shared_ptr<T> data; node* next; node(T const& _data): data(std::make_shared<T>(_data)) { } };

...

std::shared_ptr<T> pop(T& result) { node* old_head = head.load(); while (old_head && !head.compare_exchange_weak(old_head, old_head->next)); return old_head ? old_head->data : std::shared_ptr<T>(); }

Проблема АВА

44

4

old_head

321

head->nextПоток А выполняет удаление узла

из вершины стека


45

4

old_head

321

head->next

43

Поток А выполняет удаление узла из вершины стека

old_head old_head->nextПоток А был вытеснен и другие

потоки удалили два узла из стека


46

4

old_head

321

head->next

43

Поток А был вытеснен и другие потоки удалили два узла из стека


435

old_head old_head->next

old_head old_head->nextНекий поток добавил новый узел и

аллокатор выделил под него ту же память


47

4

old_head

321

head->next

43


43

Некий поток добавил новый узел и аллокатор выделил под него ту же память

5

43

Поток А: head.compare_exchange( old_head, old_head->next))

5






48

4

old_head

321

head->next

43


435

43

Некий поток добавил новый узел и аллокатор выделил под него ту же память

Поток А: head.compare_exchange( old_head, old_head->next))

5





Решения проблемы АВА

49

1. “Ленивый” сборщик мусора

2. Указатели опасности

3. Счётчик ссылок на элемент

4. Сделать узлы уникальными

5. Вообще не удалять узлы

6. Добавление дополнительных узлов

7. и т.д.

Функция pop (наивная)

50

// количество потоков, выполняющих popstd::atomic<unsigned> threads_in_pop;

std::shared_ptr<T> pop() { threads_in_pop++;

node* old_head = head_load(); while (old_head && !head.compare_exchange_weak(old_head, old_head->next)); std::shared_ptr<T> res; if (old_head) res.swap(old_head->data); // не копировать, // а обменять данные

try_reclaim(old_head); // попробовать освободить // удалённые узлы return res;}

Функция pop (наивная)

51

template<typename T>class lfstack {private: std::atomic<node*> delete_list;

static void delete_nodes(node* nodes); while (nodes) { node* next = nodes->next; delete nodes; nodes = next; } }

Функция try_reclaim освобождения удалённых узлов

52

void try_reclaim(node* old_head) { if (threads_in_pop == 1) { // я единственный в pop?

node* nodes_to_delete = // захватить список delete_list.exchange{nullptr}; // на удаление

if (!--thread_in_pop) // точно единственный? delete_nodes(nodes_to_delete)); // удалить всё! else if (nodes_to_delete) // если в захваченном списке // что-то было // вернуть это в общий список узлов на удаление chain_pending_nodes(nodes_to_delete);

delete old_head; // удаляем хотя бы только что // исключённый узел } else { // удалим узел как-нибудь потом chain_pending_node(old_head); --threads_in_pop; }}


53

// добавляем захваченный список в общий список узлов,// подлежащих удалениюvoid chain_pending_nodes(node* nodes) { node* last = nodes; while (node* const next = last->next) last = next; chain_pending_nodes(nodes, last);}

// добавить список узлов в список узлов на удалениеvoid chain_pending_nodes(node* first, node* last) { last->next = delete_list; while (!delete_list.compare_exchange_weak(last->next, first));}

// добавить узел в список узлов на удалениеvoid chain_pending_node(node* n) { chain_pending_nodes(n, n);}


54

4

head

321

delete_list 0threads_in_pop

4

head

321

delete_list

threads_in_pop 1

5

5A A удаляет узел 1 и

вытесняется в pop() после 1-го чтения threads_in_pop


55

4

head

32

delete_list 2threads_in_pop

43

delete_list

threads_in_pop 2

5

2

С удаляет узел и продолжает работать до момента выхода из pop()

old_head

BB вызывает pop() и

вытесняется после 1-го чтения head

A

headold_head

B4

C

5

A


56threads_in_pop 2

43

delete_list

threads_in_pop 2

2

A возобновляет выполнение и захватывает список на удаление. После этого он должен 2-й раз проверить,

один ли он в pop()

headold_head

B2

5

A

43

headold_head

B2

delete_list A2 5

delete_list

B возобновляет выполнение, выполняет CAS и переходит

к 3 узлу

Реализация стека, свободного от блокировок, на основе указателей опасности

57

Указатели опасности (hazard pointers)

58

4

old_head

321

head->next

43

Поток А выполняет удаление узла из вершины стека и помечает узел 1

как узел, который он использует.


Поток А был вытеснен и другие потоки удалили два узла из стека, но не

освобождают память из-под первого узла.

2

head

head

1

A “понимает”, что головной узел head изменился и нужно

выполнить compare_exchange

43


21

Функция pop на основе указателей опасности

59

std::shared_ptr<T> pop() { std::atomic<void*>& hp = get_hazard_pointer_for_current_thread();

// установить указатель опасности перед чтением указателя, // который мы собираемся разыменовывать node* old_head = head.load(); node* temp; do { temp = old_head; hp.store(old_head); old_head = head.load(); } while (old_head != temp); // ...}


60

std::shared_ptr<T> pop() { std::atomic<void*>& hp = get_hazard_pointer_for_current_thread();

node* old_head = head.load(); do { node* temp; do { temp = old_head; hp.store(old_head); // устанавливаем УО old_head = head.load(); } while (old_head != temp); } while (old_head && // получаем узел !head.compare_exchange_strong(old_head, old_head->next)); hp.store(nullptr);


61

4

old_head

321head

hp


62

4

old_head

321head

temp = old_head

temp

hp


63

4

old_head

321head

hp

temp = old_head

temp

hp.store(old_head)


64

4

old_head

321

temp = old_head

head

temp

hp.store(old_head)

old_head = head.load()“old old_head”

“new old_head”

hp


65

4

old_head

321

temp = old_head

head

temp

hp.store(old_head)


“new old_head”

hp

== ?

Таким образом, внутренний цикл гарарантирует то, что указатель опасности будет указывать на тот головной элемент head, с котором

мы будем работать (сдвигать указатель на следующий элемент)

Проверка позволяет определить, не изменился ли головной элемент с тех пор, когда мы запомнили его в указателе опасности.


66

4

old_head

321

temp = old_head

head

temp

hp.store(old_head)


“new old_head”

hp

== ?

Во внешнем цикле сдвигаем указатель с head на следующий элемент с уверенностью, что никто не подменит элемент head.


67

После того, как поток А успешно выполнил compare_exchange,

указатель опасности можно обнулять hp.store(nullptr), т.к. никто пока

не сможет удалить old_head, кроме А, поскольку head изменён потоком А

43


21

Вариант 1

43

old_head->next

1

Вариант 2

old_head

2


68

std::shared_ptr<T> res; if (old_head) { res.swap(old_head->data); // извлекаем данные

if (outstanding_hazard_pointers_for(old_head)) // если опасно, удаляем потом reclaim_later(old_head); else // если не опасно, удаляем сейчас delete old_head;

// пробуем удалить узлы, какие можно удалить delete_nodes_with_no_hazards(); } return res;}

Реализация указателей опасности

69

4321head

1 5 6 7 m432

max_hazard_pointers


70

4321head

1 5 6 7 m432

Указатели опасности, m = max_hazard_pointers

пустой?нет

if (hazard_pointers[i].id. compare_exchange_strong( old_id, std::this_thread::get_id()))

thread_local hp


71

4321head

1 5 6 7 m432


пустой?да


thread_local hp


72

4321head

1 5 6 7 m432


пустой?да


thread_local hp


73

const auto max_hazard_pointers = 100;

struct hazard_pointer { std::atomic<std::thread::id> id; std::atomic<void*> pointer;};

hazard_pointer hazard_pointers[max_hazard_pointers];

class hp_owner { hazard_pointer* hp;

public: hp_owner(hp_owner const&) = delete; hp_owner operator=(hp_owner const&) = delete;


74

hp_owner(): hp{nullptr} { for (auto i = 0; i < max_hazard_pointers; i++) { std::thread::id old_id; // пустой незанятый УО

// если i-й УО не занят, завладеть им, записав в него // свой идентификатор потока if (hazard_pointers[i].id.compare_exchange_strong( old_id, std::this_thread::get_id())) { hp = &hazard_pointers[i]; // я владею i-м УО break; } }

// таблица УО закончилась, указателей нам не досталось if (!hp) throw std::runtime_error("No hazard ptrs available");}


75

hp_owner(): hp{nullptr} { for (auto i = 0; i < max_hazard_pointers; i++) { std::thread::id old_id; if (hazard_pointers[i].id.compare_exchange_strong( old_id, std::this_thread::get_id())) { hp = &hazard_pointers[i]; break; } } if (!hp) throw std::runtime_error("No hazard ptrs available");}std::atomic<void*>& get_pointer() { return hp->pointer;}~hp_owner() { hp->pointer.store(nullptr); hp->id.store(std::thread::id());}


76

// вернуть указатель опасности для текущего потокаstd::atomic<void*>& get_hazard_pointer_for_current_thread() { thread_local static hp_owner hazard; return hazard.get_pointer();}


77

// вернуть указатель опасности для текущего потокаstd::atomic<void*>& get_hazard_pointer_for_current_thread() { thread_local static hp_owner hazard; return hazard.get_pointer();}

// проверить, не ссылается ли на указатель какой-то из УОbool outstanding_hazard_pointers_for(void* p) { for (auto i = 0; i < max_hazard_pointers; i++) { if (hazard_pointers[i].pointer.load() == p) { return true; } } return false;}

Реализация функции освобождения памяти

78

template <typename T>void do_delete(void* p) { delete static_cast<T*>(p);}

struct data_to_reclaim { // обёртка над данными для

void* data; // помещения в список удаления

std::function<void(void*)> deleter;

data_to_reclaim* next;

template<typename T> data_to_reclaim(T* p): data{p}, deleter{&do_delete<T>}, next{0} { }

~data_to_reclaim() { deleter(data); }};

std::atomic<data_to_reclaim*> nodes_to_reclaim;


79

// добавить элемент в список на удалениеvoid add_to_reclaim_list(data_to_reclaim* node) { node->next = nodes_to_reclaim.load();

while (!nodes_to_reclaim.compare_exchange_weak( node->next, node));}

// удалить элемент позжеtemplate<typename T>void reclaim_later(T* data) { add_to_recalim_list(new data_to_reclaim(data));}


80

void delete_nodes_with_no_hazards() { // захватить текущий список data_to_reclaim* current = nodes_to_reclaim.exchange(nullptr);

while (current) { data_to_reclaim* const next = current->next;

if (!outstanding_hazard_pointers_for(current->data)) // если не опасно, удалить сейчас delete current; else // если опасно удалить потом add_to_reclaim_list(current);

current = next; }}


81

4321

nodes_to_reclaim


82

nodes_to_reclaim

4321current

current = nodes_to_reclaim. exchange(nullptr);


83

nodes_to_reclaim

432current

1

1

add_to_reclaim_list(current);


84

nodes_to_reclaim

432current

1

delete current;


85

nodes_to_reclaim

43current

1 5

add_to_reclaim_list() при выполнении pop()


86

nodes_to_reclaim

4current

1 5 3

add_to_reclaim_list(current);

1


87

nodes_to_reclaim

4current

1 5 3


88

nodes_to_reclaim

current

1 5 3

Недостатки указетелей опасности

89

1. Просмотр массива указателей опаности требует в худшем случае max_hazard_pointers атомарных переменных.

2. Атомарные операции могут работать медленнее эквивалентных обычных операций

3. При освобождении узла также требуется просмотреть список указателей опаности, т.е. max_hazard_pointers в худшем случае.

Функция pop дорогостоящая. Решения?

Недостатки указетелей опасности

90

1. Просмотр массива указателей опаности требует в худшем случае max_hazard_pointers атомарных переменных.

2. Атомарные операции могут работать медленнее эквивалентных обычных операций

3. При освобождении узла также требуется просмотреть список указателей опаности, т.е. max_hazard_pointers в худшем случае.

Функция pop дорогостоящая. Решения?

1. Вместо просмотра max_hazard_pointers в каждом pop(), проверяем 2 * max_hazard_pointers через каждые max_hazard_pointers вызовов pop() и освобождаем не менее max_hazard_pointers. В среднем проверяем два узла при каждом вызове pop() и один освобождаем.

2. Каждый поток хранит собственный список освобождения в локальных данных потока. Это потребует выделения памяти под max_hazard_pointers2 узлов.

Реализация стека, свободного от блокировок, с помощью умного указателя

91

Реализация на основе атомарного умного указателя

92

▪ Удалять узлы можно только при отсутствии обращения к ним из других потоков

▪ Если на узел нет ссылки, то его можно удаляь


93



▪ Умный указатель shared_ptr как раз решает эту задачу!


94



▪ Умный указатель shared_ptr как раз решает эту задачу!

...

▪ Но, к сожалению, атомарные операции shared_ptr в большинстве реализаций не свободны от блокировок.


95

template <typename T>class lfstack {private:

struct node { std::shared_ptr<T> data; std::shared_ptr<node> next; node(T const& _data): data(std::make_shared<T>(_data)) { } };

std::shared_ptr<node> head;


96

...

void push(T const& data) { std::shared_ptr<node> const new_node = std::make_shared<node>(data); new_node->next = head.load();

while (!std::atomic_compare_exchange_weak(&head, &nead_node->next, new_node)); }

std::shared_ptr<T> pop() { std::shared_ptr<node> old_head = std::atomic_load(&head);

while (old_head && !std::atomic_compare_exchange_weak(&head, &old_head, old_head->next));

return old_head ? old_head->data : std::shared_ptr<T>(); }

Реализация стека, свободного от блокировок, с помощью подсчёта ссылок

97

Двойной счётчик ссылок

98

counted_node_ptr

node

internal_count

data

next

external_count

▪ При начале каждого чтения внешний счётчик увеличивается.

▪ При завершении чтения внутренний счётчик уменьшается.

▪ При удалении узла внутренний счетчик увеличивается на величину внешнего минус 1, а внешний отбрасывается.

▪ Если внутренний счётчик равен 0, узел можно удалять.


99

head

1 2 3


100

template<typename T>class lfstack {private:

struct counted_node_ptr { int external_count; node* ptr; };

struct node { std::shared_ptr<T> data; std::atomic<int> internal_count; counted_node_ptr next; node(T const& _data): data(std::make_shared<T>(_data)), internal_count(0) {} };

std::atomic<counted_node_ptr> head;


101

~lfstack() { while (pop()); }

void push(T const& data) { counted_node_ptr new_node; new_node.ptr = new node(data); new_node.external_count = 1; new_node.ptr->next = head.load(); while (!head.compare_exchange_weak(new_node.ptr->next, new_node)); }};


102

template <typename T>class lfstack {private:

// Увеличение внешнего счётчика void increase_head_count(counted_node_ptr& old_counter) { counted_node_ptr new_counter;

do { new_counter = old_counter; ++new_counter.external_count; } while (!head.compare_exchange_strong(old_counter, new_counter));

old_counter.external_count = new_counter.external_count; }

public: std::shared_ptr<T> pop() { counted_node_ptr old_head = head.load();

for (;;) { increase_head_count(old_head); node* const ptr = old_head.ptr; if (!ptr) return std::shared_ptr<T>();

if (head.compare_exchange_strong(old_head, ptr->next)) { std::shared_ptr<T> res; res.swap(ptr->data); int const count_increase = old_head.external_count - 2;

if (ptr->internal_count.fetch_add(count_increase) == -count_increase) delete ptr; return res;

} else if (ptr->internal_count.fetch_sub(1) == 1) delete ptr; } }


103







104

1. Увеличить внешний счётчик2. Разыменовать указатель3. Проверить указатель на пустоту







105

Попытаться выполнить удаление узла

1. Если получилось, забрать данные2. Прибавить внутренний счётчик к внешнему3. Если счётчик стал равным 0, удалить узел4. Вернуть результат (даже если счётчик не стал равным 0)







106

Если не получилось выполнить удаление узла (какой-то поток удалил узел раньше нас)1. Уменьшить счётчик ссылок на 1.2. Если другие потоки на узел не ссылаются, освободить память

(убрать за тем потоком, который выполнил удаление)

0 0


107

1

0

1 1

head

1 2 3

Сценарий 1:

Поток А эксклюзивно удаляет узел.

Другие потоки ему не мешают.

0 0


108

2 1 1

head

1 2 3

Поток A:increase_head_count(old_head)node* const = old_head.ptr

0

0 0 0


109

2 1 1

head

1 2 3

Поток A:head.compare_exchange(old_head, ptr->next)

0 0 0


110

2 0 0

head

1 2 3

Поток A:count_increase = 2 - 2 = 0internal_count = 0 + 0 = 0

0 0 0


111

2 0 0

head

1 2 3

Поток A:delete ptr

0 0 0


112

1 1 1

head

1 2 3

Сценарий 2:

Потоки А и В одновременно удаляют узел.

Потоку А удаётся выполнить удаление узла вперёд B.

Поток В успевает выйти из pop до того,

как А попробует освободить узел.

0 0 0


113

2 1 1

head

1 2 3

Поток B: increase_head_count(old_head)

0 0 0


114

3 1 1

head

1 2 3


Поток A: increase_head_count(old_head) head.compare_exchange(...)

-1 0 0


115

3 0 0

head

1 2 3


Поток B: internal_count.fetch_sub(1)


0 0 0


116

x 0 0

head

1 2 3

Поток A: count_increase = 3 - 2 = 1 internal_count = -1 + 1 = 0


Поток B: internal_count = 0 - 1 = -1


0 0 0


117

x 0 0

head

1 2 3

Поток A: count_increase = 3 - 2 = 1 internal_count = -1 + 1 = 0


Поток B: internal_count = 0 - 1 = -1


Поток A: delete ptr

0 0 0


118

1 1 1

head

1 2 3

Сценарий 3:

Потоки А и В одновременно удаляют узел.

Потоку А удаётся выполнить удаление узла вперёд B.

Поток В не успевает выйти из pop, когда А пытается

освободить узел, и поэтому А узел не освобождает.

Зато поток В, последним покидая узел,

освобождает память из-под узла, удалённого А.

0 0 0


119

3 1 1

head

1 2 3



1 0 0


120

x 1 1

head

1 2 3



Поток A: count_increase = 3 - 2 = 1 internal_count = 0 + 1 = 1

Поток A узел не освобождает

0 0 0


121

x 1 1

head

1 2 3



Поток A: count_increase = 3 - 2 = 1 internal_count = 0 + 1 = 1

Поток A узел не освобождает

Поток B: internal_count = 1 - 1 = 0 delete ptr

Узел освобождает поток B

Двойной счётчик ссылок - проблема

122

template<typename T>class lfstack {private:

struct counted_node_ptr { int external_count; node* ptr; };

struct node { std::shared_ptr<T> data; std::atomic<int> internal_count; counted_node_ptr next; node(T const& _data): data(std::make_shared<T>(_data)), internal_count(0) {} };

std::atomic<counted_node_ptr> head;

Структура может не поддерживать выполнение атомарных операций без блокировок!

Применение модели памяти С++ для стека, свободного от блокировок

123

Применение модели памяти С++

124

void push(T const& data) { counted_node_ptr new_node; new_node.ptr = new node(data); new_node.external_count = 1; new_node.ptr->next = head.load(std::memory_order_relaxed);

while (!head.compare_exchange_weak(new_node.ptr->next, new_node));

void increase_head_count(counted_node_ptr& old_counter) { counted_node_ptr new_counter;


old_counter.external_count = new_counter.external_count;}


125


while (!head.compare_exchange_weak(new_node.ptr->next, new_node));




Подготовка данных

Установка head (“флага”)

Проверка head (“флага”)

Работа с добавленным элементом


126


while (!head.compare_exchange_weak(new_node.ptr->next, new_node, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));


do { new_counter = old_counter; ++new_counter.external_count; } while (!head.compare_exchange_strong(old_counter, std::memory_order_acquire, std::memory_order_relaxed, new_counter));


Подготовка данных

Установка head (“флага”)

Работа с добавленным элементом

Проверка head (“флага”)


127

std::shared_ptr<T> pop() { counted_node_ptr old_head = head.load(); for (;;) { increase_head_count(old_head); node* const ptr = old_head.ptr; if (!ptr) return std::shared_ptr<T>();



} else if (ptr->internal_count.fetch_sub(1) == 1) delete ptr; }}

Чтение указателя


128

std::shared_ptr<T> pop() { counted_node_ptr old_head = head.load(); for (;;) { increase_head_count(old_head);

node* const ptr = old_head.ptr; if (!ptr) return std::shared_ptr<T>();

if (head.compare_exchange_strong(old_head, ptr->next, std::memory_order_relaxed)) { std::shared_ptr<T> res; res.swap(ptr->data); int const count_increase = old_head.external_count - 2;



Чтение указателя

acquire не нужен, т.к. захват выполнен в

increase_head_count


129





Извлечение данных

Удаление должно выполняться после извлечения данных


130



if (ptr->internal_count.fetch_add(count_increase, std::memory_order_release) == -count_increase) delete ptr; return res;





131



if (ptr->internal_count.fetch_add(count_increase, std::memory_order_release) == -count_increase) delete ptr; return res; } else if (ptr->internal_count.fetch_sub(1, std::memory_order_acquire) == 1)

delete ptr; }




132



if (ptr->internal_count.fetch_add(count_increase, std::memory_order_release) == -count_increase) delete ptr; return res; } else if (ptr->internal_count.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed) == 1) ptr->internal_count.load(std::memory_order_acquire);

delete ptr; }

Достаточно вставить операцию захвата-загрузки, чтобы удалить ptr после извлечения

данных


fetch_sub входит в последовательность

освобождений, поэтому “не мешает” acquire

ПВТ - осень 2014 - Лекция 7. Многопоточное...

Education