Параллельное и распределенное программирование на С++ - Хьюз Камерон

Создание многопоточных объектов

Модели делегирования, равноправных потоков, конвейера и типа «изготовитель» - «потребитель» предлагают деление программы на несколько потоков с помощью функций. При использовании объектов функции-члены могут создавать потоки выполнения нескольких задач. Потоки используются для выполнения кода от имени объекта: посредством отдельных функций и функций-членов.

В любом случае потоки объявляются в рамках объекта и создаются одной из функций-членов (например, конструктором). Потоки могут затем выполнять некоторые независимые функции (функции, определенные вне объекта), которые вызывают функции-члены глобальных объектов. Это — один из способов создания многопоточного объекта. Пример многопоточного объекта представлен в листинге 4.10.

// Листинг 4.11. Объявление и определение многопоточного

// объекта

#include <pthread.h>

#include <iostream>

#include <unistd.h>

void *taskl(void *);

void *task2(void *);

class multithreaded_object {

pthread_t Threadl,

Thread2; public:

multithreaded_object(void);

int cl(void);

int c2(void);

//.. .

);

multithreaded_object::multithreaded_object(void) {

//. . .

pthread_create(&Threadl, NULL, taskl, NULL); pthread_create(&Thread2 , NULL, task2 , NULL);

pthread_join(Threadl, NULL);

pthread_join(Thread2 , NULL);

//. . .

}

int multithreaded_object::cl(void) {

// Выполнение действий,

return(1);

}

int multithreaded_object::c2(void) {

// Выполнение действий,

return(1);

}

multithreaded_object MObj;

void *taskl(void *) {

//...

MObj.cl() ; return(NULL) ;

}

void *task2(void *) {

//...

M0bj.c2(); return(NULL) ;

}

В листинге 4.11 в классе multithread_object объявляются два потока. Они создаются и присоединяются к основному потоку в конструкторе этого класса. Поток Thread1 выполняет функцию task1 (), а поток Thread2 — функцию task2 (). Функции taskl () и task2 () затем вызывают функции-члены глобального объекта MObj.

Резюме

В последовательной программе всю нагрузку можно разделить между отдельными подпрограммами таким образом, чтобы выполнение очередной подпрограммы было возможно только после завершения предыдущей. Существует и другая организация программ, когда, например, вся работа выполняется в виде мини-программ в рамках основной программы, причем эти мини-программы выполняются параллельно основной. Такие мини-программы могут быть реализованы как процессы или потоки. Если в реализации используются процессы, то каждый процесс должен иметь собственное адресное пространство, а если процессы должны взаимодействовать между собой, то такая реализация требует обеспечения механизма межпроцессного взаимодействия. Для потоков, разделяющих адресное пространство одного процесса, не нужны специальные методы взаимодействия. Но для защиты совместно используемой памяти (чтобы не допустить возникновения условий «гонок») необходимо использоватьтакие механизмы синхронизации, как мьютексы.

Существует ряд моделей, которые можно использовать для делегирования работы потокам и управления их созданием и аннулированием. В модели делегирования один поток (управляющий) создает другие потоки (рабочие) и назначает им задачи. Управляющий поток ожидает до тех пор, пока каждый рабочий поток не завершит свою задачу. При использовании модели равноправных узлов есть один поток, который изначально создает все потоки, необходимые для выполнения всех задач, причем этот поток считается рабочим потоком, поскольку он не осуществляет никакого делегирования. Все потоки в этой модели имеют одинаковый статус. Применяя модель конвейера, программу можно охарактеризовать как сборочную линию, в которой входной поток (поток входных данных) обрабатывается поэтапно. На каждом этапе поток обрабатывает некоторую порцию входных элементов. Порция входных элементов перемещается от одного потока выполнения к следующему до тех пор, пока не завершится вся предусмотренная обработка. На последнем этапе работы конвейера формируются его результаты, т.е. последний поток отвечает за формирование конечных результатов программы. В модели «изготовитель-потребитель» поток- «изготовитель» готовит данные, «потребляемые» потоком-«потребителем». Данные хранятся в блоке памяти, разделяемом всеми потока ми: как изготовителем, так и потребителями. При использовании объектов функции члены могут создавать потоки для выполнения нескольких задач. Объекты можно создавать с многопоточной направленностью. В этом случае потоки объявляются в самом объекте. Функция-член может создать поток, который выполняет независимую функцию, а она (в свою очередь) вызывает одну из функций-членов объекта.

Для создания и управления потоками многопоточного приложения можно использовать библиотеку Pthread. Библиотека Pthread опирается на стандартизированный программный интерфейс, предназначенный для создания и поддержки потоков Этот интерфейс определен комитетом стандартов IEEE в стандарте POSIX 1003.1с Сторонние производители при создании своих продуктов должны придерживаться этого стандарта POSIX.

Синхронизация параллельно выполняемых задач

Отношение этих механизмов ко времени требует тщательного изучения. <...> Нас почти не интересовала производительность вычислительной машины для одного входного сигнала. Чтобы адекватно функционировать, она должна показывать удовлетворительную производительность для целого класса входных сигналов, а это будет означать удовлетворительную производительность для класса входных сигналов, получение которого ожидается статистически... Ho6epr Винер (Norbert Wiener), Кибернетика

Во всех компьютерных системах ресурсы ограничены. Ведь любой объем памяти конечен, как и количество устройств ввода-вывода, портов, аппаратных прерываний и процессоров. Если в среде ограниченных аппаратных ресурсов приложение состоит из нескольких процессов и потоков, то эти составляющие должны конкурировать за память, периферийные устройства и процессорное время. Когда и как долго процесс или поток будет использовать системные ресурсы, определяет операционная система. При использовании приоритетного планирования операционная система может прерывать выполняющийся процесс или поток, чтобы удовлетворить все остальные процессы и потоки, соревнующиеся за системные ресурсы. Процессам и потокам приходится также соперничать за программные ресурсы и ресурсы данных. Примерами программных ресурсов служат разделяемые библиотеки (которые предоставляют в общее пользование набор процедур или функций для процессов и потоков), а также приложения, программы и утилиты. При совместном использовании программных ресурсов в памяти содержится только одна копия программного кода. Под ресурсами данных подразумеваются объекты, системные данные (например, переменные среды), файлы, глобально определенные переменные и структуры данных. Что касается ресурсов данных, то процессы и потоки могут иметь собственные копии данных. В других случаях желательно и, возможно, даже необходимо, чтобы данные были разделяемыми. Одни процессы и потоки, работая вместе, используют ограниченные системные ресурсы в определенном порядке, в то время как другие действуют независимо и асинхронно, соревнуясь за использование разделяемых pecypсов. Для управления процессами и потоками, конкурирующими за использование данных, программист может задействовать ряд специальных методов и механизмов.

Синхронизация также необходима для координации порядка выполнения параллельных задач. Примером может служить модель «изготовитель-потребитель», которая рассмотрена в главе 4. «Изготовитель» обязательно начинает выполняться до «потребителя», но не обязательно завершается до него. Подобные задачи нуждаются в синхронизации Синхронизация данных (синхронизация доступа к данным) и задач (синхронизация последовательностей инструкций) — два типа синхронизации, которые необходимо обеспечить при выполнении нескольких параллельных задач.