Функция std::lock() и шаблон класса std::lock_guard покрывают большую часть простых случаев блокировки, по иногда этого недостаточно. Поэтому в стандартную библиотеку включен также шаблон std::unique_lock. Подобно std::lock_guard, этот шаблон класса параметризован типом мьютекса и реализует такое же управление блокировками в духе RAII, что и std::lock_guard, однако обладает чуть большей гибкостью.
3.2.6. Гибкая блокировка с помощью std::unique_lock
Шаблон std::unique_lock обладает большей гибкостью, чем std::lock_guard, потому что несколько ослабляет инвариантыэкземпляр std::unique_lock не обязан владеть ассоциированным с ним мьютексом. Прежде всего, в качестве второго аргумента конструктору можно передавать не только объект std::adopt_lock, заставляющий объект управлять захватом мьютекса, но и объект std::defer_lock, означающий, что в момент конструирования мьютекс не должен захватываться. Захватить его можно будет позже, вызвав функцию-член lock() объекта std::unique_lock (а не самого мьютекса) или передав функции std::lock() сам объект std::unique_lock. Код в листинге 3.6 можно было бы с тем же успехом написать, как показало в листинге 3.9, с применением std::unique_lock и std::defer_lock() (1) вместо std::lock_guard и std::adopt_lock. В новом варианте столько же строк, и он эквивалентен исходному во всем, кроме одной детали,std::unique_lock потребляет больше памяти и выполняется чуть дольше, чем std::lock_guard. Та гибкость, которую мы получаем, разрешая экземпляру std::unique_lock не владеть мьютексом, обходится не бесплатно дополнительную информацию надо где-то хранить и обновлять.
Листинг 3.9. Применение std::lock() и std::unique_guard для реализации операции обмена
class some_big_object;
void swap(some_big_object& lhs,some_big_object& rhs);
class X {
private:
some_big_object some_detail;
std::mutex m;
public:
X(some_big_object const& sd): some_detail(sd) {}
friend void swap(X& lhs, X& rhs) {
if (&lhs == &rhs) std::defer_lock оставляет
return; мьютексы не захваченными (1)
std::unique_lock<std::mutex> lock_a(lhs.m, std::defer_lock);
std::unique_lock<std::mutex> lock_b(rhs.m, std::defer_lock);
std::lock(lock_a, lock_b); (2) Мьютексы захватываются
swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);
}
};
В листинге 3.9 объекты std::unique_lock можно передавать функции std::lock() (2), потому что в классе std::unique_lock имеются функции-члены lock(), try_lock() и unlock(). Для выполнения реальной работы они вызывают одноименные функции контролируемого мьютекса, а сами только поднимают в экземпляре std::unique_lock флаг, показывающий, что в данный момент этот экземпляр владеет мьютексом. Флаг необходим для того, чтобы деструктор знал, вызывать ли функцию unlock(). Если экземпляр действительно владеет мьютексом, то деструктор должен вызвать unlock(), в противном случаене должен. Опросить состояние флага позволяет функция-член owns_lock().
Естественно, этот флаг необходимо где-то хранить. Поэтому размер объекта std::unique_lock обычно больше, чем объекта std::lock_guard, и работает std::unique_lock чуть медленнее std::lock_guard, потому что флаг нужно проверять и обновлять. Если класс std::lock_guard отвечает вашим нуждам, то я рекомендую использовать его. Тем не менее, существуют ситуации, когда std::unique_lock лучше отвечает поставленной задаче, так как без свойственной ему дополнительной гибкости не обойтись. Один из примеровпоказанный выше отложенный захват; другойнеобходимость передавать владение мьютексом из одного контекста в другой.
3.2.7. Передача владения мьютексом между контекстами
Поскольку экземпляры std::unique_lock не владеют ассоциированными мьютексами, то можно передавать владение от одного объекта другому путем перемещения. В некоторых случаях передача производится автоматически, например при возврате объекта из функции, а иногда это приходится делать явно, вызывая std::move(). Ситуация зависит от того, является ли источник l-значением именованной переменной или ссылкой на нееили r-значениемвременным объектом. Если источникr-значение, то передача владения происходит автоматически, в случае же l-значение это нужно делать явно, чтобы не получилось так, что переменная потеряет владение непреднамеренно. Класс std::unique_lock дает пример перемещаемого, но не копируемого типа. Дополнительные сведения о семантике перемещения см. в разделе А.1.1 приложения А.
Одно из возможных примененийразрешить функции захватить мьютекс, а потом передать владение им вызывающей функции, чтобы та могла выполнить дополнительные действия под защитой того же мьютекса. Ниже приведен соответствующий примерфункция get_lock() захватывает мьютекс, подготавливает некоторые данные, а потом возвращает мьютекс вызывающей программе:
std::unique_lock<std::mutex> get_lock() {
extern std::mutex some_mutex;
std::unique_lock<std::mutex> lk(some_mutex);
prepare_data();
return lk; (1)
}
void process_data() {
std::unique_lock<std::mutex> lk(get_lock()); (2)
do_something();
}
Поскольку lkавтоматическая переменная, объявленная внутри функции, то ее можно возвращать непосредственно (1), не вызывая std:move(); компилятор сам позаботится о вызове перемещающего конструктора. Затем функция process_data() может передать владение своему экземпляру std::unique_lock (2), и do_something() может быть уверена, что подготовленные данные не были изменены каким-то другим потоком.
Обычно подобная схема применяется, когда подлежащий захвату мьютекс зависит от текущего состояния программы или от аргумента, переданного функции, которая возвращает объект std::unique_lock. Например, так имеет смысл делать, когда блокировка возвращается не напрямую, а является членом какого-то класса-привратника, обеспечивающего корректный доступ к разделяемым данным под защитой мьютекса. В таком случае любой доступ к данным производится через привратник, то есть предварительно необходимо получить его экземпляр (вызвав функцию, подобную get_lock() в примере выше), который захватит мьютекс. Затем для доступа к данным вызываются функции-члены объекта-привратника. По завершении операции привратник уничтожается, при этом мьютекс освобождается, открывая другим потокам доступ к защищенным данным. Такой объект-привратник вполне может быть перемещаемым (чтобы его можно было возвращать из функции), и тогда тот его член, в котором хранится блокировка, также должен быть перемещаемым.
Класс std::unique_lock также позволяет экземпляру освобождать блокировку без уничтожения. Для этого служит функция-член unlock(), как и в мьютексе; std::unique_lock поддерживает тот же базовый набор функций-членов для захвата и освобождения, что и мьютекс, чтобы его можно было использовать в таких обобщенных функциях, как std::lock. Наличие возможности освобождать блокировку до уничтожения объекта std::unique_lock означает, что освобождение можно произвести досрочно в какой-то ветке кода, если ясно, что блокировка больше не понадобится. Иногда это позволяет повысить производительность приложения, ведь, удерживая блокировку дольше необходимого, вы заставляете другие потоки впустую ждать, когда они могли бы работать.
3.2.8. Выбор правильной гранулярности блокировки
О гранулярности блокировок я уже упоминал в разделе 3.2.3: под этим понимается объем данных, защищаемых блокировкой. Мелкогранулярные блокировки защищают мало данных, крупногранулярныемного. Важно не только выбрать подходящую гранулярность, но и позаботиться о том, чтобы блокировка удерживалась не дольше, чем реально необходимо. Все мы сталкивались с ситуацией, когда очередь к кассе в супермаркете перестает двигаться из-за того, что обслуживаемый покупатель вдруг выясняет, что забыл прихватить баночку соуса, и отправляется за ней, заставляя всех ждать, или из-за того, что кассирша уже готова принять деньги, а покупатель только только полез за кошельком. Насколько было бы проще, если бы каждый подходил к кассе только после того, как купил все необходимое и подготовился оплатить покупки.