Потокобезопасный интерфейс
#новичкам

Не для всех очевидная новость: не всегда можно превратить класс из небезопасного в потокобезопасный, просто по уши обложившись лок гардами. Да, вызов конкретного метода будет безопасен. Но это не значит, что классом безопасно пользоваться.

Возьмем максимально простую реализацию самой простой очереди:

struct Queue {
    void push(int value) {
        storage.push_back(value);
    }
    void pop() {
        storage.pop_front();
    }
    bool empty() {
        return storage.empty();
    }
    int& front() {
        return storage.front();
    }
private:
    std::deque<int> storage;
};

Она конечно потокоНЕбезопасная. То есть ей можно адекватно пользоваться только в рамках одного потока.

Как может выглядеть код простого консьюмера этой очереди?

while(condition)
    if (!queue.empty()) {
        auto & elem = queue.front();
        process_elem(elem);
        queue.pop();
    }

И вот мы захотели разделить обязанности производителя чисел и их потребителя между разными потокам. Значит, нам надо как-то защищать очередь от многопоточных неприятностей.

Бабахаем везде лок гард на один мьютекс и дело в шляпе!

struct Queue {
    void push(int value) {
        std::lock_guard lg{m};
        storage.push_back(value);
    }
    void pop() {
        std::lock_guard lg{m};
        storage.pop_front();
    }
    bool empty() {
        std::lock_guard lg{m};
        return storage.empty();
    }
    int& front() {
        std::lock_guard lg{m};
        return storage.front();
    }
private:
    std::deque<int> storage;
    std::mutex m;
};

Все доступы к очереди защищены. Но спасло ли реально это нас?

Вернемся к коду консюмера:

while(true)
    if (!queue.empty()) {
        auto & elem = queue.front();
        process_elem(elem);
        queue.pop();
  }

А вдруг у нас появится еще один консюмер? Тогда в первом из них мы можем войти условие, а в это время второй достанет последний элемент. Получается, что мы получим доступ к неинициализированной памяти в методе front.

То есть по факту в многопоточном приложении полученный стейт сущности сразу же утрачивает свою актуальность.

Что делать? Не только сами методы класса должны быть потокобезопасными. Но еще и комбинации использования этих методов тоже должны обладать таким свойством. И с данным интерфейсом это сделать просто невозможно.

Если стейт утрачивает актуальность, то мы вообще не должны давать возможность приложению получать стейт очереди. Нам нужны только команды управления. То есть push и pop.

struct ThreadSafeQueue {
    void push(int value) {
        std::lock_guard lg{m};
        storage.push_back(value);
    }
    std::optional<int> pop() {
        std::lock_guard lg{m};
        if (!storage.empty()) {
            int elem = storage.front();
            storage.pop_front();
            return elem;
        }
        return nullopt;
    }
private:
    std::deque<int> storage;
    std::mutex m;
};

Внутри метода pop мы можем использовать проверять и получать стейт очереди, так как мы оградились локом. Возвращаем из него std::optional, который будет хранить фронтальный элемент, если очередь была непуста. В обратном случае он будет пуст.

Теперь консюмер выглядит так:

while(true) {
    auto elem = queue.pop();
    if (elem)
        process_elem(elem.value());
}

Можно конечно было использовать кондвары и прочее. Но я хотел сфокусироваться именно на интерфейсе. Теперь реализация просто не позволяет получать пользователю потенциально неактульные данные.

Stay safe. Stay cool.

#concurrency #design #goodpractice