9.2.3. Прерывание ожидания условной переменной
Итак, мы можем обнаруживать прерывание в подходящих местах программы с помощью обращений к функции interruption_point(), но это ничем не помогает в случае, когда поток блокирован в ожидании какого-то события, например сигнала условной переменной. Нам необходима еще одна функция, interruptible_wait(), которую можно будет перегрузить для различных ожидаемых событий, и нужно придумать, как вообще прерывать ожидание. Я уже говорил, что среди прочего ожидать можно сигнала условной переменной, поэтому с нее и начнем. Что необходимо для того, чтобы можно было прервать поток, ожидающий условную переменную? Проще всего было бы известить условную переменную в момент установки флага и поставить точку прерывания сразу после ожидания. Но в этом случае придётся разбудить все потоки, ждущие эту условную переменную, хотя заинтересован в этом только прерываемый поток. Впрочем, потоки, ждущие условную переменную, в любом случае должны обрабатывать ложные пробуждения, а отличить посланный нами сигнал от любого другого они не могут, так что ничего страшного не случится. В структуре interrupt_flag нужно будет сохранить указатель на условную переменную, чтобы при вызове set() ей можно было послать сигнал. В следующем листинге показана возможная реализация функции interruptible_wait() для условных переменных.
Листинг 9.10. Неправильная реализация interruptible_wait() для std::condition_variable
void interruptible_wait(std::condition_variable& cv,
std::unique_lock<std::mutex>& lk) {
interruption_point();← (1)
this_thread_interrupt_flag.set_condition_variable(cv);
cv.wait(lk); ← (2)
this_thread_interrupt_flag.clear_condition_variable();← (3)
interruption_point();
}
В предположении, что существуют функции, которые устанавливают и разрывают ассоциацию условной переменной с флагом прерывания, этот код выглядит просто и понятно. Он проверяет, не было ли прерывания, ассоциирует условную переменную с флагом interrupt_flag для текущего потока (1), ждет условную переменную (2), разрывает ассоциацию с условной переменной (3) и снова проверяет, не было ли прерывания. Если поток прерывается во время ожидания условной переменной, то прерывающий поток пошлёт этой переменной сигнал, что пробудит нас и даст возможность проверить факт. К сожалению, этот код не работает, в нем есть две проблемы. Первая довольно очевидна: функция std::condition_variable::wait() может возбуждать исключения, поэтому из interruptible_wait() возможен выход без разрыва ассоциации флага прерывания с условной переменной. Это легко исправляется с помощью структуры, которая разрывает ассоциацию в ее деструкторе.
Вторая, не столь очевидная, проблема связана с гонкой. Если поток прерывается после первого обращения к interruption_point(), но до обращения к wait(), то не имеет значения, ассоциирована условная переменная с флагом прерывания или нет, потому что поток еще ничего не ждет и, следовательно, не может быть разбужен сигналом, посланным условной переменной. Мы должны гарантировать, что потоку не может быть послан сигнал между последней проверкой прерывания и обращением к wait(). Если не залезать в код класса std::condition_variable, то сделать это можно только одним способом: использовать для защиты мьютекс, хранящийся в lk, который, следовательно, нужно передавать функции set_condition_variable(). К сожалению, при этом возникают новые проблемы: мы передаём ссылку на мьютекс, о времени жизни которого ничего не знаем, другому потоку (тому, который выполняет прерывание), чтобы тот его захватил (внутри interrupt()). Но может случиться, что этот поток уже удерживает данный мьютекс, и тогда возникнет взаимоблокировка. К тому же, появляется возможность доступа к уже уничтоженному мьютексу. В общем, это решение не годится. Но если мы не можем надежно прерывать ожидание условной переменной, то нечего было и затевать это дело — почти того же самого можно было бы добиться и без специальной функции interruptible_wait(). Так какие еще есть варианты? Можно, к примеру, задать таймаут ожидания; использовать вместо wait() функцию wait_for() с очень коротким таймаутом (скажем, 1 мс). Это ограничивает сверху время до момента, когда поток обнаружит прерывание (с учетом промежутка между тактами часов). Если поступить так, что ожидающий поток будет видеть больше ложных пробуждений из-за срабатывания таймера, но тут уж ничего не попишешь. Такая реализация показана в листинге ниже вместе с соответствующей реализацией interrupt_flag.
Листинг 9.11. Реализация interruptible_wait() для std::condition_variable с таймаутом
class interrupt_flag {
std::atomic<bool> flag;
std::condition_variable* thread_cond;
std::mutex set_clear_mutex;
public:
interrupt_flag(): thread_cond(0) {}
void set() {
flag.store(true, std::memory_order_relaxed);
std::lock_guard<std::mutex> lk(set_clear_mutex);
if (thread_cond) {
thread_cond->notify_all();
}
}
bool is_set() const {
return flag.load(std::memory_order_relaxed);
}
void set_condition_variable(std::condition_variable& cv) {
std::lock_guard<std::mutex> lk(set_clear_mutex);
thread_cond = &cv;
}
void clear_condition_variable() {
std::lock_guard<std::mutex> lk(set_clear_mutex);
thread_cond = 0;
}
struct clear_cv_on_destruct {
~clear_cv_on_destruct() {
this_thread_interrupt_flag.clear_condition_variable();
}
};
};
void interruptible_wait(std::condition_variable& cv,
std::unique_lock<std::mutex>& lk) {
interruption_point();
this_thread_interrupt_flag.set_condition_variable(cv);
interrupt_flag::clear_cv_on_destruct guard;
interruption_point();
cv.wait_for(lk, std::chrono::milliseconds(1));
interruption_point();
}
Если мы ждем какой-то предикат, то таймаут продолжительностью 1 мс можно полностью скрыть внутри цикла проверки предиката:
template<typename Predicate>
void interruptible_wait(std::condition_variable& cv,
std::unique_lock<std::mutex>& lk,
Predicate pred) {
interruption_point();
this_thread_interrupt_flag.set_condition_variable(cv);
interrupt_flag::clear_cv_on_destruct guard;
while (!this_thread_interrupt_flag.is_set() && !pred()) {
cv.wait_for(lk, std::chrono::milliseconds(1));
}
interruption_point();
}
Правда, предикат при этом проверяется чаще, чем необходимо, но зато эту функцию легко использовать вместо простого вызова wait(). Легко реализовать и другие варианты функций с таймаутом, например: ждать в течение указанного времени или 1 мс в зависимости от того, что меньше.
Ну хорошо, с ожиданием std::condition_variable мы разобрались, а что сказать о std::condition_variable_any? Всё точно так же или можно сделать лучше?