Как избежать создания некорректного программного кода

Каждая ошибка, не допущенная вами в исходном коде, — это, прежде всего, еще одна сэкономленная ошибка, которую вам не придется отыскивать на стадии отладки программы или в процессе проверки работоспособности ее завершенной версии. Ниже приведены некоторые рекомендации, большинство из которых взяты, хотя и в перефразированном виде, из [6].

• Не полагайтесь на инерционность потоков. Потоки асинхронны, но мы, например, часто предполагаем, что после создания родительским потоком одного или нескольких дочерних потоков он продолжает свое выполнение. В основе таких предположений лежит допущение об "инерционных" свойствах родительского потока, благодаря которым он, якобы, будет выполняться вплоть до начала выполнения дочерних потоков. Предположения подобного рода особенно опасны в случае SMP-систем, тем не менее, они могут привести к возникновению проблем и в случае однопроцессорных систем.

• Никогда не делайте ставок на состязании потоков. Об очередности выполнения потоков практически никогда нельзя сказать ничего определенного. В программе должно предполагаться, что любой готовый к выполнению поток может быть запущен в любой момент и что любой выполняющийся поток в любой момент может быть вытеснен. Никакого упорядочения выполнения потоков не существует, если только вы специально об этом не позаботились.

• Не следует путать планирование выполнения с синхронизацией. Стратегии планирования задач и назначения приоритетов не в состоянии обеспечить нужную синхронизацию. Для этого должны использоваться объекты синхронизации.

• Состязательность за очередность выполнения будет существовать даже при использовании мьютексов для защиты разделяемых данных. Наличие защиты данных само по себе не может служить гарантией определенной очередности получения доступа к разделяемым данным различными потоками. Например, если один поток добавляет средства на банковский счет, а другой снимает их со счета, то одна только защита счета с помощью мьютекса не сможет гарантировать, что внесение денег на счет всегда будет осуществляться раньше, чем их снятие. В упражнении 10.14 показано, как организовать управление очередностью выполнения потоков.

• Необходимость кооперирования потоков во избежание взаимной блокировки. Чтобы гарантировать невозможность взаимоблокировки потоков, вы должны располагать хорошо продуманной иерархией блокировок, которая использовалась бы всеми потоками.

• Не допускайте разделения событий предикатами. В реализациях, использующих переменные условий, каждое событие должно связываться с отдельным предикатом. Кроме того, событие всегда должно использоваться с одним и тем же мьютексом.

• Остерегайтесь совместного использования стеков и связанного с этим риска порчи памяти. Никогда не забывайте о том, что при возврате из функции или завершении выполнения потока их локальные области памяти становятся недействительными. Память в области стека потока может использоваться другими потоками, но вы должны быть уверены в том, что первый поток все еще существует.

• Следите за использованием модификатором класса памяти volatile в необходимых случаях. Всякий раз, когда возможно изменение разделяемой переменной в одном потоке и обращение к нему в другом, класс памяти, используемой этой переменной, должен быть определен как volatile, что будет гарантировать использование ячеек памяти при сохранении и извлечении этой переменной потоками, а не регистров, специфичных для каждого потока.

Ниже приводятся некоторые дополнительные рекомендации и мнемонические правила, которые вам могут пригодиться.

• Правильно пользуйтесь моделью переменных условий, проверяя, чтобы два разных мьютекса не использовались с одним и тем же событием. Хорошо изучите модель переменных условий, на которой основана ваша программа. Прежде чем вызывать функцию ожидания перехода переменной условия в сигнальное состояние, убедитесь в выполнении условия, выраженного предикатом.

• Старайтесь вникнуть в смысл используемых инвариантов и предикатов переменных условий, даже если они имеют неформальное выражение. Убедитесь в том, что условие, выраженное предикатом, всегда выполняется за пределами критического участка кода.

• Стремитесь к упрощению. Многопоточное программирование уже само по себе является достаточно сложным, чтобы еще дополнительно усложнять его введением трудно воспринимаемых моделей и логики. Если ваша программа становится чрезмерно сложной, постарайтесь оценить, продиктована ли эта сложность действительной необходимостью или же является следствием того, что программа была неудачно спроектирована.

• Тестируйте программы как на однопроцессорных, так и на многопроцессорных системах, а также на системах с различными тактовыми частотами и другими характеристиками. Природа некоторых дефектов такова, что на однопроцессорных системах они проявляются лишь в редких случаях или вообще никогда, в то время как на SMP-системах вы их сразу определите, и наоборот. Аналогичным образом, чем шире круг характеристик систем, на которых будет выполняться программа, содержащая дефекты, тем выше вероятность сбоя.

• Тестирование является необходимой, но не достаточной мерой, которая могла бы гарантировать корректную работу программы. Известны многочисленные примеры программ, заведомо содержащих дефекты, которые лишь в редких случаях удавалось обнаруживать средствами обычного и даже расширенного тестирования.

• Смиритесь! Как бы вы ни старались следовать этим советам, ошибок в своих программах вам не избежать. Это утверждение справедливо даже в случае однопоточных программ, не говоря уже о многопоточных, которые предоставляют нам гораздо больше разнообразных и интереснейших возможностей создавать себе проблемы.