Блокировка очереди гонки? - PullRequest
4 голосов
/ 05 января 2012

Я пытаюсь реализовать высокопроизводительную очередь блокировки, поддерживаемую циклическим буфером поверх pthreads, semaphore.h и gcc atomic buildins.Очередь должна обрабатывать несколько одновременных программ чтения и записи из разных потоков.

Я выделил какое-то состояние гонки, и я не уверен, является ли это ошибочным предположением о поведении некоторых атомарных операций.и семафоры, или мой дизайн в корне ошибочен.

Я извлек и упростил его до приведенного ниже автономного примера.Я ожидаю, что эта программа никогда не вернется.Однако он возвращает после нескольких сотен тысяч итераций с повреждением, обнаруженным в очереди.

В приведенном ниже примере (для демонстрации) он на самом деле ничего не хранит, он просто устанавливает 1 ячейку, которая будет содержатьфактические данные и 0 для представления пустой ячейки.Существует счетный семафор (вакансий), представляющий количество вакантных ячеек, и другой счетный семафор (жителей), представляющий количество занятых ячеек.

Авторы делают следующее:

  1. декрементвакансии
  2. атомно получить следующий индекс заголовка (размер очереди мода)
  3. записать в него
  4. увеличить число жителей

Читатели делают наоборот:

  1. декременты-обитатели
  2. атомарно получить следующий хвостовой индекс (размер очереди мода)
  3. прочитать из него
  4. увеличить вакансии

Я ожидаю, что с учетом вышеизложенного, точно один поток может одновременно читать или записывать любую данную ячейку.

Любые идеи о том, почему она не работает или стратегии отладки приветствуются.Код и вывод ниже ...

#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <iostream>

using namespace std;

#define QUEUE_CAPACITY 8 // must be power of 2
#define NUM_THREADS 2

struct CountingSemaphore
{
    sem_t m;
    CountingSemaphore(unsigned int initial) { sem_init(&m, 0, initial); }
    void post() { sem_post(&m); }
    void wait() { sem_wait(&m); }
    ~CountingSemaphore() { sem_destroy(&m); }
};

struct BlockingQueue
{
    unsigned int head; // (head % capacity) is next head position
    unsigned int tail; // (tail % capacity) is next tail position
    CountingSemaphore vacancies; // how many cells are vacant
    CountingSemaphore occupants; // how many cells are occupied

    int cell[QUEUE_CAPACITY];
// (cell[x] == 1) means occupied
// (cell[x] == 0) means vacant

    BlockingQueue() :
        head(0),
        tail(0),
        vacancies(QUEUE_CAPACITY),
        occupants(0)
    {
        for (size_t i = 0; i < QUEUE_CAPACITY; i++)
            cell[i] = 0;
    }

    // put an item in the queue
    void put()
    {
        vacancies.wait();

        // atomic post increment
        set(__sync_fetch_and_add(&head, 1) % QUEUE_CAPACITY);

        occupants.post();
    }

    // take an item from the queue
    void take()
    {
        occupants.wait();

        // atomic post increment
        get(__sync_fetch_and_add(&tail, 1) % QUEUE_CAPACITY);

        vacancies.post();
    }

    // set cell i
    void set(unsigned int i)
    {
        // atomic compare and assign
        if (!__sync_bool_compare_and_swap(&cell[i], 0, 1))
        {
            corrupt("set", i);
            exit(-1);
        }
    }

    // get cell i
    void get(unsigned int i)
    {
        // atomic compare and assign
        if (!__sync_bool_compare_and_swap(&cell[i], 1, 0))
        {
            corrupt("get", i);
            exit(-1);
        }
    }

    // corruption detected
    void corrupt(const char* action, unsigned int i)
    {
        static CountingSemaphore sem(1);
        sem.wait();

        cerr << "corruption detected" << endl;
        cerr << "action = " << action << endl;
        cerr << "i = " << i << endl;
        cerr << "head = " << head << endl;
        cerr << "tail = " << tail << endl;

        for (unsigned int j = 0; j < QUEUE_CAPACITY; j++)
            cerr << "cell[" << j << "] = " << cell[j] << endl;
    }
};

BlockingQueue q;

// keep posting to the queue forever
void* Source(void*)
{
    while (true)
        q.put();

    return 0;
}

// keep taking from the queue forever
void* Sink(void*)
{
    while (true)
        q.take();

    return 0;
} 

int main()
{
    pthread_t id;

    // start some pthreads to run Source function
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++)
        if (pthread_create(&id, NULL, &Source, 0))
            abort();

    // start some pthreads to run Sink function
    for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++)
        if (pthread_create(&id, NULL, &Sink, 0))
            abort();

    while (true);
}

Скомпилируйте вышеприведенный код следующим образом:

    $ g++ -pthread AboveCode.cpp
    $ ./a.out

Вывод каждый раз отличается, но вот один пример:

    corruption detected
    action = get
    i = 6
    head = 122685
    tail = 122685
    cell[0] = 0
    cell[1] = 0
    cell[2] = 1
    cell[3] = 0
    cell[4] = 1
    cell[5] = 0
    cell[6] = 1
    cell[7] = 1

Моя система - Ubuntu 11.10 на Intel Core 2:

    $ uname -a
    Linux 3.0.0-14-generic #23-Ubuntu SMP \
      Mon Nov 21 20:28:43 UTC 2011 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
    $ cat /proc/cpuinfo | grep Intel
    model name : Intel(R) Core(TM)2 Quad  CPU   Q9300  @ 2.50GHz
    $ g++ --version
    g++ (Ubuntu/Linaro 4.6.1-9ubuntu3) 4.6.1

Спасибо, Эндрю.

Ответы [ 3 ]

4 голосов
/ 05 января 2012

Одна из возможных ситуаций, отслеживаемая пошагово для двух потоков записи (W0, W1) и одного потока чтения (R0).W0 вошел в put () раньше W1, был прерван ОС или оборудованием и завершен позже.

        w0 (core 0)               w1 (core 1)                r0
t0         ----                      ---       blocked on occupants.wait() / take
t1      entered put()                ---                    ---         
t2      vacancies.wait()           entered put()            ---
t3      got new_head = 1           vacancies.wait()         ---
t4     <interrupted by OS>         got new_head = 2         ---
t5                                 written 1 at cell[2]     ---
t6                                 occupants.post();        ---
t7                                 exited put()            waked up
t8                                   ---               got new_tail = 1
t9     <still in interrupt>          ---    read 0 from ceil[1]  !! corruption !!
t10     written 1 at cell[1]                           
t11     occupants.post();
t12     exited put()
1 голос
/ 05 января 2012

С точки зрения дизайна я бы рассматривал всю очередь как общий ресурс и защищал ее одним мьютексом.

Авторы делают следующее:

  1. принимаютмьютекс
  2. запись в очередь (включая обработку индексов)
  3. освобождение мьютекса

Читатели выполняют следующее:

  1. дубльмьютекс
  2. чтение из очереди (включая обработку индексов)
  3. освобождение мьютекса
0 голосов
/ 05 января 2012

У меня есть теория. Это круговая очередь, поэтому один поток чтения может быть перекрыт. Скажем, читатель берет индекс 0. Прежде чем он что-то делает, он теряет процессор. Другой поток чтения принимает индекс 1, затем 2, затем 3 ..., затем 7, затем 0. Первый читатель просыпается, и оба потока думают, что имеют эксклюзивный доступ к индексу 0. Не уверен, как это доказать. Надеюсь, это поможет.

Добро пожаловать на сайт PullRequest, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...