Multi-threaded executions and data races (since C++11)

Поток выполнения — это поток управления внутри программы, который начинается с вызова определенной функции верхнего уровня (с помощью std::thread , std::async , std::jthread (since C++20) или другими способами) и рекурсивно включает каждый вызов функции, впоследствии выполняемый потоком.

• Когда один поток создаёт другой, первоначальный вызов функции верхнего уровня нового потока выполняется новым потоком, а не создающим потоком.

Любой поток потенциально может получить доступ к любому объекту и функции в программе:

• Объекты с автоматической и потоково-локальной длительностью хранения всё ещё могут быть доступны другому потоку через указатель или по ссылке.
• В рамках hosted-реализации , программа на C++ может иметь более одного потока, выполняющегося параллельно. Выполнение каждого потока происходит в соответствии с остальными положениями этой страницы. Выполнение всей программы состоит из выполнения всех её потоков.
• В рамках freestanding-реализации , определяется реализацией, может ли программа иметь более одного потока выполнения.

Для обработчика сигнала , который не выполняется в результате вызова std::raise , не определено, в каком потоке выполнения происходит вызов обработчика сигнала.

Гонки данных

Различные потоки выполнения всегда могут обращаться (читать и изменять) различные области памяти параллельно, без вмешательства и требований синхронизации.

Два вычисления выражений evaluations конфликтуют если одно из них изменяет область памяти или начинает/завершает время жизни объекта в области памяти, а другое читает или изменяет ту же область памяти или начинает/завершает время жизни объекта, занимающего хранилище, которое перекрывается с данной областью памяти.

Программа, имеющая два конфликтующих вычисления, содержит data race если только

• обе оценки выполняются в одном потоке или в одном обработчике сигналов , или
• обе конфликтующие оценки являются атомарными операциями (см. std::atomic ), или
• одна из конфликтующих оценок happens-before другой (см. std::memory_order ).

Если возникает гонка данных, поведение программы не определено.

(В частности, освобождение std::mutex синхронизируется-с , и, следовательно, происходит-до захвата того же мьютекса другим потоком, что позволяет использовать блокировки мьютексов для защиты от гонок данных.)

int cnt = 0;
auto f = [&] { cnt++; };
std::thread t1{f}, t2{f}, t3{f}; // неопределённое поведение

std::atomic<int> cnt{0};
auto f = [&] { cnt++; };
std::thread t1{f}, t2{f}, t3{f}; // OK

Гонки данных контейнеров

Все контейнеры в стандартной библиотеке, кроме std :: vector < bool > гарантируют, что конкурентные модификации содержимого содержащегося объекта в разных элементах одного контейнера никогда не приведут к гонкам данных.

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
auto f = [&](int index) { vec[index] = 5; };
std::thread t1{f, 0}, t2{f, 1}; // OK
std::thread t3{f, 2}, t4{f, 2}; // неопределённое поведение

std::vector<bool> vec = {false, false};
auto f = [&](int index) { vec[index] = true; };
std::thread t1{f, 0}, t2{f, 1}; // неопределённое поведение

Порядок памяти

Когда поток читает значение из ячейки памяти, он может увидеть начальное значение, значение, записанное в том же потоке, или значение, записанное в другом потоке. См. std::memory_order для получения подробной информации о порядке, в котором записи, сделанные из потоков, становятся видимыми для других потоков.

Прогресс выполнения

Свобода от блокировок

Когда только один поток, не заблокированный в функции стандартной библиотеки, выполняет атомарную функцию , которая является lock-free, эта операция гарантированно завершится (все lock-free операции стандартной библиотеки являются obstruction-free ).

Свобода от блокировок

Когда одна или несколько функций с атомарными операциями без блокировок выполняются параллельно, гарантируется, что хотя бы одна из них завершится (все операции стандартной библиотеки без блокировок являются lock-free — задача реализации обеспечить, чтобы они не могли быть бесконечно заблокированы другими потоками, например, путем постоянного перехвата кэш-линии).

Гарантия прогресса

В корректной программе на C++ каждый поток в конечном счете выполняет одно из следующих действий:

• Завершается.
• Вызывает std::this_thread::yield .
• Выполняет вызов функции ввода-вывода библиотеки.
• Выполняет доступ через volatile glvalue.
• Выполняет атомарную операцию или операцию синхронизации.
• Продолжает выполнение тривиального бесконечного цикла (см. ниже).

Говорят, что поток делает прогресс если он выполняет один из вышеуказанных шагов выполнения, блокируется в функции стандартной библиотеки, или вызывает атомарную безблокировочную функцию, которая не завершается из-за незаблокированного параллельного потока.

Это позволяет компиляторам удалять, объединять и переупорядочивать все циклы, не имеющие наблюдаемого поведения, без необходимости доказывать, что они в конечном счете завершатся, поскольку можно предположить, что ни один поток выполнения не может выполняться вечно без выполнения каких-либо из этих наблюдаемых поведений. Предусмотрено исключение для тривиальных бесконечных циклов, которые не могут быть удалены или переупорядочены.

Тривиальные бесконечные циклы

Тривиально пустой оператор итерации — это оператор итерации, соответствующий одной из следующих форм:

Управляющее выражение тривиально пустого оператора итерации:

Тривиальный бесконечный цикл — это тривиально пустой оператор итерации, для которого преобразованное управляющее выражение является константным выражением , когда явно константно вычисляемое , и вычисляется в true .

Тело цикла тривиального бесконечного цикла заменяется вызовом функции std::this_thread::yield . Определяется реализацией, происходит ли эта замена в freestanding implementations .

for (;;); // тривиальный бесконечный цикл, корректно определен согласно P2809
for (;;) { int x; } // неопределенное поведение

Отчёты о дефектах

Следующие отчеты об изменениях в поведении, являющиеся дефектными, были применены ретроактивно к ранее опубликованным стандартам C++.

1. ↑ «Тривиальный» здесь означает, что выполнение бесконечного цикла никогда не приводит к какому-либо прогрессу.