Валентин Арьков - Организация параллельных потоков. Часть 2. Учебное пособие

В технологии OpenMP происходит динамическое создание потоков. В процессе работы программа может создавать и уничтожать дополнительные потоки (рис. 2.1). Такая модель условно называется «fork-join». Это означаетразделение программына несколько параллельных веток, выполнение работы параллельном режиме и последующее слияние в одну последовательную ветку.

Рис. 2.1. Модель распараллеливания fork-join

Задание. Изучите в Википедии статью «Fork join».

В технологии OpenMP используют следующие понятия и термины.

Construct – Конструкция – директива и следующий за ней структурный блок команд (часть программы, ограниченная фигурными скобками).

Directive – Директива – строка, начинающаяся как #pragma ompи определяющая поведение программы.

Thread – Поток – часть программы, которая может выполняться последовательно на одном ядре.

Master thread – Главный поток – поток, который существует на протяжении всего времени выполнения процесса и который создаёт группу параллельных потоков ( Team) при входе в параллельную область.

Team – Группа параллельных потоков – один или несколько потоков, которые участвуют в выполнении какой-либо конструкции языка.

Параллельная программа состоит из параллельных и последовательных областей.

Parallel region – Параллельная область – часть программы, которая может выполняться несколькими потоками.

Serial region – Последовательная область – часть программы, которая выполняется только главным потоком.

Переменные делятся на два вида – в зависимости от способа доступа:

Private – уникальная переменная, доступная только внутри потока.

Shared – общая переменная, доступная всем параллельным потокам в рамках одной группы.

Лёгкость распараллеливания оборачивается повышением ответственности программиста.

Конкретная реализация OpenMP (среда разработки, компилятор и библиотека) не обязательно проверяет корректность распараллеливания и возникновение следующих нежелательных ситуаций:

– Dependencies – зависимости по данным между параллельными потоками;

– Conflicts – конфликты доступа к данным;

– Deadlocks – тупиковые ситуации (взаимная блокировка);

– Race conditions – ситуация гонки за доступ к данным.

Как видим, все эти ситуации связаны с обращением к общим данным из нескольих параллельных потоков. В последовательных программах таким проблем просто не может возникнуть.

Ответственность за корректность составления программы лежит полностью на составителе программы. Все эти положения можно найти в тексте спецификации OpenMP.

Для реализации параллелизма в технологии OpenMP используют три вида инструментов:

– Directives – Директивы компилятора;

– Library functions – Готовые библиотечные функции;

– Environment variables – Переменные среды (параметры окружения).

2.5. Среда разработки

Всё программное обеспечение, используемое в данной работе, является бесплатным и доступно на официальных сайтах фирм-разработчиков. Программы устанавливают в операционной системе Microsoft Windows.

Интегрированная среда разработки Microsoft Visual Studio Community Editionпредоставляется бесплатно для студентов, индивидуально работающих программистов и разработчиков программного обеспечения с открытым исходным кодом Open Source.

В данной работе мы будем использовать Visual Studio. Не потому, что это самый лучший компилятор. И не потому, что мы хотели бы заработать на рекламе конкретного программного продукта. Просто под руку попалось. Работает для наших задач – и на том спасибо.

Желающие могут работать в любой другой операционной системе и использовать любой другой компилятор языка программирования Си. Всё, что требуется – это поддержка технологии распараллеливания OpenMP.

Устанавливаем Visual Studio.

Переходим на сайт:

https://visualstudio.microsoft.com/.

Выбираем версию Community Edition(рис. 2.2). Она бесплатна для учебных и некоммерческих целей.

Рис. 2.2. Выбор версии среды разработки

Раньше, в далёком прошлом (несколько лет тому назад) программы были небольшие, и разработчики предлагали скачать образ диска в формате *.ISO. Его можно было даже на «болванку» записать. На записываемый DVD-Rили на многоразовый, перезаписываемый DVD-RW.

Сегодня выбора почти не осталось. Есть только web-установщик. Небольшая программа, которая скачает из интернета необходимые компоненты для выбранной конфигурации. Счёт может идти на десятки гигабайт, а то и поболее.

Нажимаем кнопку «Установить» и начинается скачивание установщика (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Скачивание веб-установщика

Как видим, пока мы скачали чуть больше одного мегабайта.

Скачанную программу запускаем. Начинается процесс установки. В дополнение к стандартному набору средств разработки, который нам предлагают по умолчанию, мы выбираем компилятор языка Си. Остальные компоненты тоже можно установить, если будет такое желание ии необходимость. Веб-установщик скачает всё, что потребуется для завершения установки.

Задание. Установите среду разработки и компилятор языка Си.

В этом разделе мы составим несколько программ, постепенно усложняя алгоритмы.

Каждую программу мы исследуем и рассмотрим со всех сторон.

Попутно мы уточним и проясним разные моменты и особенности.

Убедимся, что среда разработки позволит нам сделать что-нибудь полезное. Мы начинаем работу с нуля. С самой простой программы «Всем привет!». Английское название: «Hello, World!»

Создаём новый проект. Пустой, незаполненный проект.

Добавляем новый элемент проекта – файл с исходным текстом программы (рис. 3.1).

Компилируем программу и запускаем её на выполнение.

Для каждой новой программы создаём новый каталог и новый файл с исходным текстом программы. Иначе потом следов не найдёшь. В руках останется последняя недоделанная программа, которая затёрла всю предыдущую работу.

Рис. 3.1. Программа «Всем привет»