Параллельное программирование на С++ в действии полностью

Утверждение assert (5) не может сработать, потому что первым должно произойти сохранение x (1) или сохранение y (2), пусть даже точно не сказано, какое именно. Если загрузка y в функции read_x_then_y (3) возвращает false, то сохранение x должно было произойти раньше сохранения y, и в таком случае загрузка x в read_y_then_x (4) должна вернуть true, потому что наличие цикла while гарантирует, что в этой точке у равно true. Поскольку семантика memory_order_seq_cst требует полного упорядочения всех операций, помеченных признаком memory_order_seq_cst, то существует подразумеваемое отношение порядка между операцией загрузки y, которая возвращает false (3), и операцией сохранения y (1). Чтобы имело место единственное полное упорядочение в случае, когда некоторый поток сначала видит x==true, затем y==false, необходимо, чтобы при таком упорядочении сохранение x происходило раньше сохранения y.

Разумеется, поскольку всё симметрично, могло бы произойти и ровно наоборот: загрузка x (4) возвращает false, и тогда загрузка y (3) обязана вернуть true. В обоих случаях z равно 1. Может быть и так, что обе операции вернут true, и тогда z будет равно 2. Но ни в каком случае z не может оказаться равным нулю.

Операции и отношения происходит-раньше для случая, когда read_x_then_y видит, что x равно true, а y равно false, изображены на рис. 5.3. Пунктирная линия от операции загрузки y в read_x_then_y к операции сохранения y в write_y показывает наличие неявного отношения порядка, необходимого для поддержания последовательной согласованности: загрузка должна произойти раньше сохранения в глобальном порядке операций, помеченных признаком memory_order_seq_cst, — только тогда получится показанный на рисунке результат.

Рис. 5.3. Последовательная согласованность и отношения происходит-раньше

Последовательная согласованность — самое простое и интуитивно понятное упорядочение, но оно же является и самым накладным из- за необходимости глобальной синхронизации между всеми потоками. В многопроцессорной системе это потребовало бы многочисленных и затратных по времени взаимодействий между процессорами. Чтобы избежать затрат на синхронизацию, необходимо выйти за пределы мира последовательной согласованности и рассмотреть другие модели упорядочения доступа к памяти.

За пределами уютного последовательно согласованного мирка нас встречает более сложная реальность. И, пожалуй, самое трудное — смириться с тем фактом, что единого глобального порядка событий больше не существует. Это означает, что разные потоки могут по-разному видеть одни и те же операции, и с любой умозрительной моделью, предполагающей, что операции, выполняемые в разных потоках, строго перемежаются, следует распрощаться. Вы должны учитывать не только то, что события могут происходить по-настоящему одновременно, но и то, что потоки не обязаны согласовывать порядок событий между собой. Чтобы написать (или хотя бы понять) код, в котором используется упорядочение, отличное от memory_order_seq_cst, абсолютно необходимо уложить этот факт в мозгу. Мало того что компилятор вправе изменять порядок команд. Даже если потоки исполняют один и тот же код, они могут видеть события в разном порядке, потому что в отсутствие явных ограничений на упорядочение кэши различных процессоров и внутренние буферы могут содержать различные значения для одной и той же ячейки памяти. Это настолько важно, что я еще раз повторю: потоки не обязаны согласовывать порядок событий между собой.

Вы должны отбросить мысленные модели, основанные не только на идее чередования операций, но и на представлении о том, что компилятор или процессор изменяет порядок команд. В отсутствие иных ограничений на упорядочение, единственное требование заключается в том, что все потоки согласны относительно порядка модификации каждой отдельной переменной. Операции над различными переменными могут быть видны разным потокам в разном порядке при условии, что видимые значения согласуются с наложенными дополнительными ограничениями на упорядочение.

Проще всего это продемонстрировать, перейдя от последовательной согласованности к ее полной противоположности — упорядочению memory_order_relaxed для всех операций. Освоив этот случай, мы сможем вернуться к упорядочению захват-освобождение, которое позволяет избирательно вводить некоторые отношения порядка между операциями. Это хоть как-то поможет собрать разлетевшиеся мозги в кучку.