Олег Цилюрик - QNX/UNIX: Анатомия параллелизма

str[ind] = "\0"; cout << str << endl;

delete [] str;

}

exit(EXIT_SUCCESS);

}

Логически приложение изменилось следующим образом:

• Теперь у нас может быть не 2 идентичных (симметричных) потока, а произвольное их количество (ключ -tпри запуске приложения).

• Потоки синхронизируются не на одном семафоре — введен массив семафоров по числу потоков: каждый поток блокируется на «своем» семафоре, но разблокирует его (после очередного выполнения своего фрагмента) семафор заблокированного «соседа».

• Теперь нам нет нужды использовать барьер для одновременного старта всех созданных потоков: семафоры всех создаваемых потоков инициализируются нулевым значением; стартующий поток тут же блокируется на своем семафоре, и только последний из запущенных выполняется, не блокируясь на семафоре.

• Из кода исключены какие бы то ни было средства принудительной передачи управления ( sched_yield()) — все управление логикой ветвления осуществляется только состояниями семафоров.

Посмотрим, что у нас получилось. Запускаем приложение с диагностическим выводом идентификаторов потоков (ключ -v; он у нас был в тестах и ранее, только мы о нем не упоминали):

# nice -n-19 sy21 -n20 -t12 -v

2 : cycles - 664874; on semaphore - 2770

3 : cycles - 649150; on semaphore - 2704

4 : cycles - 638906, on semaphore - 2662

5 : cycles - 622987; on semaphore - 2595

6 : cycles - 611781; on semaphore - 2549

7 : cycles - 594515; on semaphore - 2477

8 : cycles - 571003; on semaphore - 2379

9 : cycles - 552834; on semaphore - 2303

10 : cycles - 536817; on semaphore - 2236

11 : cycles - 519357; on semaphore - 2163

12 : cycles - 500388; on semaphore - 2084

13 : cycles - 296633; on semaphore - 1235

D23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABCD23456789ABC

В строке диагностики (внизу) хорошо видно регулярное чередование выполняющихся потоков, причем оно начинается с индекса последнего созданного потока (13 в показанном примере). Теперь проделаем то же самое, но на большой выборке и с отключенной диагностикой, чтобы получить «чистое» время контекстных переключений потоков, не искаженное затратами на операции формирования диагностики (результаты для нескольких различных размерностей задачи при разном количестве потоков):

# nice -n-19 sy21 -n100000 -t12

2 : cycles - 1509597589; on semaphore - 1257

3 : cycles - 1509581545; on semaphore - 1257

4 : cycles - 1509570283; on semaphore - 1257

5 : cycles - 1509552472; on semaphore - 1257

6 : cycles - 1509537934; on semaphore - 1257

7 : cycles - 1509519299; on semaphore - 1257

8 : cycles - 1509502312; on semaphore - 1257

9 : cycles - 1509482667; on semaphore - 1257

10 : cycles - 1509466343; on semaphore - 1257

11 : cycles - 1509449264; on semaphore - 1257

12 : cycles - 1509431112; on semaphore - 1257

13 : cycles - 1509222808, on semaphore - 1257

# nice -n-19 sy21 -n100000 -t7

2 : cycles - 859768389; on semaphore - 1228

3 : cycles - 859756956; on semaphore - 1228

4 : cycles - 859745649; on semaphore - 1228

5 : cycles - 859736698; on semaphore - 1228

6 : cycles - 859724685; on semaphore - 1228

7 : cycles - 859707720; on semaphore - 1228

8 : cycles - 859554045; on semaphore — 1227

# nice -n-19 sy21 -n50000 -t13

2 : cycles - 832789852; on semaphore - 1281

3 : cycles - 832813231; on semaphore - 1281

4 : cycles - 832835011; on semaphore - 1281

5 : cycles - 832851360; on semaphore - 1281

6 : cycles - 832868482; on semaphore - 1281

7 : cycles - 832884308; on semaphore - 1281

8 : cycles - 832900935; on semaphore - 1281

9 : cycles - 832916093; on semaphore - 1281

10 : cycles - 832931944; on semaphore - 1281

11 : cycles - 832946479; on semaphore - 1281

12 : cycles - 832962202; on semaphore - 1281

13 : cycles - 832976433; on semaphore - 1281

14 : cycles - 832782465; on semaphore - 1281

# nice -n-19 sy21 -n50000 -t17

2 : cycles - 1142879872; on semaphore - 1344

3 : cycles - 1142906138; on semaphore - 1344

4 : cycles - 1142927650; on semaphore - 1344

5 : cycles - 1142943675; on semaphore - 1344

6 : cycles - 1142959582; on semaphore - 1344

7 : cycles - 1142974919; on semaphore - 1344

8 : cycles - 1142991068; on semaphore - 1344

9 : cycles - 1143005896; on semaphore - 1344

10 : cycles - 1143021518, on semaphore - 1344

11 : cycles - 1143036136; on semaphore - 1344

12 : cycles - 1143053448; on semaphore - 1344

13 : cycles - 1143068415; on semaphore - 1344

14 : cycles - 1143083676; on semaphore - 1344

15 : cycles - 1143098361; on semaphore - 1344

16 : cycles - 1143114009; on semaphore - 1344

17 : cycles - 1143128525; on semaphore - 1344

18 : cycles - 1142872665; on semaphore - 1344

Есть некоторая корреляция времени переключения контекста с размером выборки и количеством обрабатывающих потоков, но она в широком диапазоне этих параметров не превышает 8%. В данном приложении эта численная величина включает в себя: блокирование на семафоре, переключение на контекст другого потока и разблокирование семафора. Если вспомнить, что раньше мы получали оценки для принудительного (посредством sched_yield()) переключения контекста потоков в 375 процессорных циклов, а для захвата-освобождения семафора — порядка 870, то эти цифры хорошо согласуются с полученными сейчас результатами.

Рассматриваемые примитивы служат принципиально различным целям. Мьютекс, как уже было сказано ранее, предназначен в первую очередь для регламентации доступа к участкам программного кода. Семафоры же больше предназначены для регламентации порядка доступа к определенным объектам данных. Классическими задачами этого класса являются задачи «производитель-потребитель», когда M производителей создают некоторые объекты данных (читая эти данные с реальных внешних устройств, или создавая их как результат только внутренних вычислений, или любым другим способом), а N потребителей независимо берут произведенные объекты данных на последующую обработку.

Это настолько общий и часто встречающийся класс задач, что покажем для него простейший «скелет» в виде отдельного приложения, в котором отслеживание порядка доступа потребителей будет осуществлять счетный семафор ( файл sy22.cc ). Для простоты понимания приложение сделано как трансформация кода предшествующей группы тестов. В качестве имитации производства объекта данных, как и в качестве его обработки потребителем, используется пассивная пауза ( delay()) на случайную величину (производство и обработка объектов данных в коде не показаны, так как это не относится к существу рассматриваемого — нас интересуют процессы синхронизации этих операций, а не сами операции).

Кроме основной нашей цели это приложение дополнительно демонстрирует:

• Практическое использование принудительного завершения (отмены) потоков «извне» с управлением состоянием завершаемости потоков и расстановкой точек отмены, о чем мы уже говорили ранее.

• Использование атомарных (непрерываемых) операций (например, atomic_add_value()), о которых мы будем говорить чуть позже.

• Использование реентерабельных форм функций стандартной библиотеки, безопасных в многопоточной среде ( rand_r()вместо rand()).

#include