Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

• Евгению Видревичу из г. Монреаля, который вычитал весь текст с позиции профессионального разработчика и указал на ряд сомнительных мест, а вместо некоторых наших путаных и не совсем внятных формулировок предложил свои — ясные и прозрачные.

• Евгению Тарнавскому из г. Харькова, который высказал ряд очень точных рекомендаций и замечаний, нашедших свое отражение в окончательном варианте текста.

В тексте содержится множество ссылок на программные конструкции: фрагменты кода, имена функций API, символические константы и многое другое, которые при их использовании должны в неизменном виде (именно в таком написании) «перекочевывать» в программный код. Такие фрагменты, конструкции и лексемы выделены моноширинным шрифтом, например pthread_create().

Фрагменты текста, цитируемые из указанных источников, выделены курсивом . Таких мест очень немного: прямое цитирование допускалось нами только в отношении крайне принципиальных утверждений.

В отличие от коротких (в две-три строки) фрагментов кода, листинги программ, приводимых и обсуждаемых в тексте, предваряются отчетливо выделенным заголовком. Это указывает на то, что данную программу как законченную программную единицу можно найти в архиве по адресу http://www.symbol.ru/library/qnx-unix/pthread.tgz . Помимо крупных законченных проектов там же можно найти и отдельные фрагменты кода, обсуждаемые в тексте. Для удобства поиска названия программных файлов, содержащихся в архиве, приводятся в тексте книги перед соответствующим кодом в скобках, например ( файл s2.cc ). [3] В книге в примерах кода мы часто используем русскоязычные символьные константы для вывода сообщений, например "Получен сигнал SIGINT" , что способствует большей доходчивости обсуждаемого кода. Однако в файлах работающих приложений, представленных в архиве, вы увидите только англоязычные эквиваленты выводимых сообщений, поскольку работающие примеры кода являются консольными приложениями, а текстовая консоль QNX не русифицируема в принципе и графические псевдотерминалы (pterm, xterm) имеют определенные сложности.

Феномен параллелизма при выполнении принципиально последовательного по своей природе компьютерного кода возникает даже раньше, чем он начинает отчетливо требоваться для многозадачных и многопользовательских операционных систем:

• Код обработчиков аппаратных прерываний, являющихся принципиально асинхронными, в самых последовательных ОС выполняется параллельно прерываемому ими коду.

• Для работы многих системных служб необходимо, чтобы они выполнялись параллельно с выполнением пользовательской задачи.

Например, в принципиально однозадачной операционной системе MS-DOS исторически первой службой, требующей параллельного выполнения, была подсистема спулинга печати. Но добавлять ее в систему пришлось «по живому», поскольку основная структура системы уже сложилась и стабилизировалась (к версии 2.x), а механизмы параллелизма в этой структуре были изначально отвергнуты на корню. И с этого времени начинается затянувшаяся на многие годы история развития уродливой надстройки над MS-DOS — технологии создания TSR-приложений (terminate and stay resident), программного мультиплексора INT 2F и других.

Новое «пришествие» механизмов параллельного выполнения (собственно, уже хорошо проработанных к этому времени в отрасли мэйнфреймов) начинается с появлением многозадачных ОС, разделяющих по времени выполнение нескольких задач. Для формализации (и стандартизации поведения) развивающихся параллельно программных ветвей создаются абстракции процессов, а позже и потоков. Простейший случай параллелизма — когда N (N>1) задач разделяют между собой ресурсы: время единого процессора, общий объем физической оперативной памяти…

Но многозадачное разделение времени — не единственный случай практической реализации параллельных вычислений. В общем случае программа может выполняться в аппаратной архитектуре, содержащей более одного (M) процессора (SMP-системы). При этом возможны принципиально отличающиеся по поведению ситуации:

• Количество параллельных ветвей (процессов, потоков) N больше числа процессоров M, при этом некоторые вычислительные ветви находятся в блокированных состояниях, конкурируя с выполняющимися ветвями за процессорное время. (Частный случай — наиболее часто имеющее место выполнение N ветвей на одном процессоре.)

• Количество параллельных ветвей (процессов, потоков) N меньше числа процессоров M, при этом все ветви вычисления могут развиваться действительно параллельно, а блокированные состояния возникают только при необходимости синхронизации и обмена данными между параллельными ветвями.

Все механизмы параллелизма проектируются (и это находит прямое отражение в POSIX-стандартах, а еще более в текстах комментариев к стандартам) и должны использоваться так, чтобы неявно не допускались какие-либо предположения об относительных скоростях параллельных ветвей и моментах достижения ими (относительно друг друга) конкретных точек выполнения. [4] Это положение напрямую диктуется определением «слабосвязанных процессов», впервые сформулированным Э. Дейкстрой [10]. Заметим, что фундаментальная и стройная «картина мира», выстроенная Э. Дейкстрой и считающаяся классикой, исчерпывающе («необходимо и достаточно») описывает систему процессов равного приоритета. Расширение реальных систем атрибутом приоритета затуманивает прозрачность этой модели и делает все гораздо сложнее… Так, в программном фрагменте:

void* threadfunc(void* data) {

// оператор 1:

}

...

pthread_create(NULL, NULL, threadfunc, NULL);

// оператор 2:

...

нельзя допускать никаких априорных предположений о том, как пойдет дальнейшее выполнение после точки ветвления (точки вызова pthread_create()): а) будет выполняться «оператор 2» в родительском потоке; б) будет выполняться «оператор 1» в порожденном потоке; в) на различных процессорах будут действительно одновременно выполняться «оператор 1» и «оператор 2»… Программный код должен быть организован так, чтобы в любых аппаратных конфигурациях (количество процессоров, их скорости, особенности кэширования памяти процессорами и другие характеристики) результаты выполнения были полностью эквивалентны.

Благодаря наличию в составе ОС QNX сетевой подсистемы QNET, органично обеспечивающей «прозрачную» интеграцию сетевых узлов в единую многомашинную систему, возникает дополнительный источник параллелизма (а вместе с тем и дополнительных хлопот), еще более усложняющий общую картину: запросы по QNET к сервисам, работающим на одном сетевом узле, со стороны клиентских приложений, работающих на других. Например, ежедневно выполняя простейшую команду: