Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон

Command.append("/tmp/");

Command.append(X);

char *const argv[] = {const_cast<char*>(Command.data()),NULL};

posix_spawn(&Pid,Command.data(),&N,&M,argv,NULL);

Command.erase(Command.begin(), Command.end()); //.. .

}

Мы инкапсулируем атрибуты, необходимые для функции posix_spawn() , в классе child_process. Инкапсуляция всех данных, требуемых для вызова этой функции в классе, упро щ ает ее использование и обеспечивает естественный интерфейс с атрибутами процесса, который создается с ее помощью. Обратите внимание на то, что в классе child_process мы определили функцию operator () (см. листинг 13.9). Это означает, что класс child_process можно использовать в качестве функционального объекта при выполнении алгоритма for__each (). По мере того как «классная доска» решает, какие источники знаний необходимо активизировать для решения задачи, она сохраняет их имена в контейнере Solve. Позже при выполнении конструктора «классной доски» нужные источники знаний активизируются с помощью алгоритма for_each ().

// Конструктор.

//...

child_process Task;

for_each(Solve.begin(), Solve.end(), Task);

При выполнении этого конструктора для каждого элемента контейнера Solve вызывается метод operator (), код которого приведен в листинге 13.9. После активизации источники знаний получают доступ к ссылке на объект «классной доски» и могут приступать к решению свой части задачи. И хотя источники знаний здесь не являются PVM-задачами, они связываются с «классной доской» таким же способом (см. подраздел 13.5.3.2) и так же выполняют свою работу. Дело в том, что межпроцессное взаимодействие между стандартными UNIX/Linux-процессами отличается от межпроцессного взаимодействия, которое возможно с использованием PVM-среды. Кроме того, PVM-задачи могут располагаться на разных компьютерах, в то время как процессы, созданные с помощью функции posix_spawn(), могут существовать только на одном и том же компьютере. Если процессы, созданные функцией posix_spawn() (либо семейством функций fork-exec), необходимо использовать в сочетании с моделью SIMD, то в дополнение к объекту «классной доски» для назначения источникам знаний конкретных областей задачи, которые они должны решать, можно использовать параметры argc и argv. В случае, когда «классная доска» находится на одном компьютере с источниками знаний, и она активизирует источники знаний в своем конструкторе, то формально «классная доска» является для них родителем, а потомки наследуют от родителя переменные среды. Переменные среды «классной доски» можно использовать в качестве еще одного способа передачи информации источникам знаний. Этими переменными среды можно легко управлять, используя следующие функции.

#include <stdlib.h>

//.. .

setenv();

unsetenv();

putenv();

Если источники знаний реализуются в процессах, которые созданы с помощью функции posix_spawn () (или fork-exec), то их программирование не выходит за рамки обычного CORBA-программирования с доступом ко всех средствам, предлагаемым CORBA-протоколом.

Реализация модели «классной доски» с помощью глобальных объектов

Выбор CORBA-ориентированной «классной доски» вполне естествен в условиях, когда источники знаний должны быть реализованы в среде intranet или Internet, или когда в целях соблюдения модульного принципа организации, инкапсуляции и так далее каждый источник знаний реализуется в отдельном процессе. Однако в распределении «классной доски» необходимость возникает не всегда. Если источники знаний можно реализовать в рамках одного процесса или на одном компьютере, то лучше всего в этом случае организовать несколько потоков, поскольку при таком варианте быстродействие выше, расходы системных ресурсов меньше, а сама работа (настройка) — проще. Взаимодействие между потоками легче организовать, поскольку потоки разделяют одно адресное пространство и могут использовать глобальные переменные. Ведь тогда «классную доску» можно реализовать как глобальный объект, доступный всем потокам в процессе. При реализации источников знаний в виде потоков в рамках одной программы отпадает необходимость в межпроцессном взаимодействии, использовании сокетов или какого-либо другого типа сетевой связи. Кроме того, в этом случае оказывается ненужным дополнительный уровень CORBA-протокола, поскольку можно обойтись разработкой обычных C++-классов. Если многопоточная программа рассчитана на использование одного компьютера с несколькими процессорами, то потоки могут выполняться параллельно на доступных процессорах. В SMP- и МРР-системах потоковая конфигурация «классной доски» весьма привлекательна. В общем случае при использовании потоков достигается самая высокая производительность. Потоки часто называют облегченными процессами, поскольку они не требуют таких же расходов системных ресурсов, как традиционные UNIX/Linux-процессы. В библиотеке POSIX threads (Pthreads) предусмотрено практически все, что нужно для создания источников знаний и управления ими. На рис. 13.7.1-13.7.3 представлены три базовые конфигурации распределения процессов для «классной доски» и источников знаний.

Рис. 13.7. Базовая конфигурация распределения процессов для «классной доски» и источников знаний

Поскольку «классная доска» реализована в многопоточной среде, то для синхронизации доступа к «классной доске» можно использовать Pthread-мьютексы и переменные условий, которые необходимо инкапсулировать в интерфейсных классах, как описано в главе 11. Кроме того, для координации и синхронизации работы, выполняемой источниками знаний, можно использовать функции pthread_cond_signal () и pthread_cond_broadcast (). Поскольку «классная доска» сама создает потоки, ей будет нетрудно получить доступ к идентификационным номерам всех источников знаний. Это означает, что «классная доска» может при необходимости аннулировать поток, используя функцию pthread_cancel (). Кроме того, «классная доска» способна синхронизировать выполнение источников знаний с помощью функции pthread_join(). Помимо уже перечисленных достоинств многопоточной реализации (высокое быстродействие и простота использования потоков и глобального объекта «классной доски»), существует также проблема обработки ошибок и исключительных ситуаций.

В общем случае эта проблема решается проще в рамках одного процесса и одного компьютера, чем при использовании нескольких процессов и нескольких компьютеров. На рис. 13.8 показаны уровни сложности, связанные с обработкой ошибок и исключительных ситуаций при использовании различных конфигураций.

Рис. 13.8. Уровни сложности при обработке ошибок и исключений

Если источники знаний реализованы в отдельных потоках одного и того же процесса, то обработка возможных ошибок или исключительных ситуаций в этом случае относится к уровню сложности 2. Эту степень сложности необходимо учитывать еще на этапах проектирования и разработки программы, особенно в случае, если она требует параллельного программирования. Простейшее архитектурное решение, использующее модель «классной доски», состоит в реализации «классной доски» в виде глобального объекта, а источников знаний — в виде потоков. Рассмотрим фрагмент объявления класса blackboard.

// Листинг 13.10. Фрагмент объявления класса blackboard,

// разработанного для многопоточной среды

class blackboard{ protected: //.. .

set<long> SuggestionForMajor;