В C++20 добавили методы синхронизации потоков на основе std::atomic с использованием для них функций ожидания (std::atomic::wait) и оповещения (std::atomic::notify_one или std::atomic::notify_all). По ссылке https://www.modernescpp.com/index.php/performancecomparison-of-condition-variables-and-atomics-in-c-20 приводятся примеры использования двух переменных типа std::atomic_flag для передачи управления между двумя потоками ("ping-pong game"). Вот оригинальный код этого примера (вариант "Two Atomic Flags"):
// pingPongAtomicFlags.cpp
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic_flag condAtomicFlag1{};
std::atomic_flag condAtomicFlag2{};
std::atomic<int> counter{};
constexpr int countlimit = 1'000'000;
void ping() {
while(counter <= countlimit) {
condAtomicFlag1.wait(false); // (1)
condAtomicFlag1.clear(); // (2)
++counter;
condAtomicFlag2.test_and_set(); // (4)
condAtomicFlag2.notify_one(); // (3)
}
}
void pong() {
while(counter < countlimit) {
condAtomicFlag2.wait(false);
condAtomicFlag2.clear();
condAtomicFlag1.test_and_set();
condAtomicFlag1.notify_one();
}
}
int main() {
auto start = std::chrono::system_clock::now();
condAtomicFlag1.test_and_set(); // (5)
std::thread t1(ping);
std::thread t2(pong);
t1.join();
t2.join();
std::chrono::duration<double> dur = std::chrono::system_clock::now() - start;
std::cout << "Duration: " << dur.count() << " seconds" << std::endl;
}
Я немного изменил этот код:
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
#include <chrono>
std::atomic_flag condAtomicFlag1{};
std::atomic_flag condAtomicFlag2{};
std::atomic<int> counter{};
constexpr int countlimit = 2;
auto time() {
static auto start = std::chrono::system_clock::now();
return std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(std::chrono::system_clock::now() - start).count();
}
void ping() {
while(counter <= countlimit) {
condAtomicFlag1.wait(false); // (1)
condAtomicFlag1.clear(); // (2)
std::cout << time() << " sec: ping() flag1" << std::endl;
++counter;
condAtomicFlag2.test_and_set(); // (4)
condAtomicFlag2.notify_one(); // (3)
}
}
void pong() {
while(counter <= countlimit) {
condAtomicFlag2.wait(false);
condAtomicFlag2.clear();
std::cout << time() << " sec: pong() flag2" << std::endl;
condAtomicFlag1.test_and_set();
condAtomicFlag1.notify_one();
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
std::cout << time() << " sec: before pong() flag2" << std::endl;
std::thread t2(pong);
std::cout << time() << " sec: after pong() flag2" << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
condAtomicFlag1.test_and_set(); // (5)
std::cout << time() << " sec: flag1 test and set" << std::endl;
//condAtomicFlag1.notify_one(); // (6)
//std::cout << time() << " sec: flag1 notify_one" << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3));
std::cout << time() << " sec: before ping() flag1" << std::endl;
std::thread t1(ping);
std::cout << time() << " sec: after ping() flag1" << std::endl;
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
Теперь сначала запускается только поток t2 (pong), в котором происходит ожидание изменения состояния атомарного флага condAtomicFlag2. Далее главный поток засыпает на 3 секунды. После меняется состояние атомарного флага condAtomicFlag1 (test_and_set), хотя ожидающий его поток ещё не запущен. Затем главный поток снова засыпает на 3 секунды. И наконец запускается поток t1 (ping), в котором происходит ожидание изменения состояния атомарного флага condAtomicFlag1. Поскольку ранее condAtomicFlag1 уже был изменён на true при вызове condAtomicFlag1.test_and_set(), то поток t1 сразу начинает работать и запускается передача управления от потока t1 к потоку t2 и обратно в количестве раз (countlimit+1). Вывод приложения выглядит вполне предсказуемо для меня:
0 sec: before pong() flag2
0 sec: after pong() flag2
3 sec: flag1 test and set
6 sec: before ping() flag1
6 sec: after ping() flag1
6 sec: ping() flag1
6 sec: pong() flag2
6 sec: ping() flag1
6 sec: pong() flag2
6 sec: ping() flag1
6 sec: pong() flag2
Но теперь я раскомментирую в коде функции main две строчки:
condAtomicFlag1.notify_one(); // (6)
std::cout << time() << " sec: flag1 notify_one" << std::endl;
Я полагал, что это всего лишь оповещение ожидающего потока о том, что состояние атомарного флага condAtomicFlag1 изменилось. А поскольку у нас ещё не запущен поток,который будет ожидать именно этот флаг, то ничего интересного не произойдёт. Но я получил такой вывод приложения:
0 sec: before pong() flag2
0 sec: after pong() flag2
3 sec: flag1 test and set
3 sec: flag1 notify_one
3 sec: pong() flag2
6 sec: before ping() flag1
6 sec: after ping() flag1
6 sec: ping() flag1
6 sec: pong() flag2
6 sec: ping() flag1
6 sec: pong() flag2
6 sec: ping() flag1
6 sec: pong() flag2
Здесь видно, что на 3-ей секунде после вызова condAtomicFlag1.notify_one()
3 sec: flag1 notify_one
почему-то поток t2 вышел из ожидания в функции condAtomicFlag2.wait(false),
3 sec: pong() flag2
то есть по сути дождался изменения состояния атомарного флага condAtomicFlag2. Но каким образом condAtomicFlag1.notify_one() мог повлиять на ожидание совершенно другого флага в condAtomicFlag2.wait(false)?
Про std::atomic::wait написано, что "These functions are guaranteed to return only if value has changed, even if underlying implementation unblocks spuriously" (https://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/wait). То есть возврат из функции осуществляется только при изменении значения, даже в случае ложной разблокировки. Но я не вижу в моём случае никаких изменений condAtomicFlag2, а возврат из функции всё равно осуществляется?
Похоже я чего-то не понимаю в работе связки wait-notify? Объясните мне, что тут происходит и почему оповещение одного флага влияет на состояние другого?
P.S. Для проекта я использовал компилятор gcc version 11.1.0 (Ubuntu 11.1.0-1ubuntu1~20.04)
time()
, а при каждом последующем она будет конкурентно меняться из разных потоков, что, вообще говоря, прямой путь к проблемам...