Энтони Уильямс - Параллельное программирование на С++ в действии. Практика разработки многопоточных программ

Манера одеваться за последние 100 лет сильно изменилась, и различия между областями, когда-то столь разительные, сгладились. Теперь трудно отличить друг от друга даже выходцев с разных континентов. Но можно взглянуть на это и с оптимизмом — мы обменяли культурное и визуальное разнообразие на иное устройство личной жизни — основанное на многостороннем и стремительном технологическом и интеллектуальном развитии.

Издательство Manning откликается на новации, инициативы и курьезы в компьютерной отрасли обложками своих книг, на которых представлено широкое разнообразие местных укладов и театральной жизни в позапрошлом веке. Мы возвращаем его в виде иллюстраций из этой коллекции.

■ Что понимается под параллелизмом и многопоточностью.

■ Зачем использовать параллелизм и многопоточность в своих приложениях.

■ Замечания об истории поддержки параллелизма в С++.

■ Структура простой многопоточной программы на С++.

Для программистов на языке С++ настали радостные дни. Спустя тринадцать лет после публикации первой версии стандарта С++ в 1998 году комитет по стандартизации С++ решил основательно пересмотреть как сам язык, так и поставляемую вместе с ним библиотеку. Новый стандарт С++ (обозначаемый С++11 или С++0х), опубликованный в 2010 году, несёт многочисленные изменения, призванные упростить программирование на С++ и сделать его более продуктивным.

К числу наиболее существенных новшеств в стандарте С++11 следует отнести поддержку многопоточных программ. Впервые комитет официально признал существование многопоточных приложений, написанных на С++, и включил в библиотеку компоненты для их разработки. Это позволит писать на С++ многопоточные программы с гарантированным поведением, не полагаясь на зависящие от платформы расширения. И как раз вовремя, потому что разработчики, стремясь повысить производительность приложений, все чаще посматривают в сторону параллелизма вообще и многопоточного программирования в особенности.

Эта книга о том, как писать на С++ параллельные программы с несколькими потоками и о тех средствах самого языка и библиотеки времени выполнения, благодаря которым это стало возможно. Я начну с объяснения того, что понимаю под параллелизмом и многопоточностью и для чего это может пригодиться в приложениях. После краткого отвлечения на тему о том, когда программу не следует делать многопоточной, я в общих чертах расскажу о поддержке параллелизма в С++ и закончу главу примером простой параллельной программы. Читатели, имеющие опыт разработки многопоточных приложений, могут пропустить начальные разделы. В последующих главах мы рассмотрим более сложные примеры и детально изучим библиотечные средства. В конце книги приведено подробное справочное руководство по всем включенным в стандартную библиотеку С++ средствам поддержки многопоточности и параллелизма.

Итак, что же я понимаю под параллелизмом и многопоточностью ?

Если упростить до предела, то параллелизм — это одновременное выполнение двух или более операций. В жизни он встречается на каждом шагу: мы можем одновременно идти и разговаривать или одной рукой делать одно, а второй — другое. Ну и, разумеется, каждый из нас живет своей жизнью независимо от других — вы смотрите футбол, я в это время плаваю и т.д.

Говоря о параллелизме в контексте компьютеров, мы имеем в виду, что одна и та же система выполняет несколько независимых операций параллельно, а не последовательно. Идея не нова: многозадачные операционные системы, позволяющие одновременно запускать на одном компьютере несколько приложений с помощью переключения между задачами уже много лет как стали привычными, а дорогие серверы с несколькими процессорами, обеспечивающие истинный параллелизм, появились еще раньше. Новым же является широкое распространение компьютеров, которые не просто создают иллюзию одновременного выполнения задач, а действительно исполняют их параллельно.

Исторически компьютеры, как правило, оснащались одним процессором с одним блоком обработки, или ядром, и это остается справедливым для многих настольных машин и по сей день. Такая машина в действительности способна исполнять только одну задачу в каждый момент времени, по может переключаться между задачами много раз в секунду. Таким образом, сначала одна задача немножко поработает, потом другая, а в итоге складывается впечатление, будто все происходит одновременно. Это называется переключением задач . Тем не менее, и для таких систем мы можем говорить о параллелизме: задачи сменяются очень часто и заранее нельзя сказать, в какой момент процессор приостановит одну и переключится на другую. Переключение задач создает иллюзию параллелизма не только у пользователя, но и у самого приложения. Но так как это всего лишь иллюзия , то между поведением приложения в однопроцессорной и истинно параллельной среде могут существовать топкие различия. В частности, неверные допущения о модели памяти (см. главу 5) в однопроцессорной среде могут не проявляться. Подробнее эта тема рассматривается в главе 10.

Компьютеры с несколькими процессорами применяются для организации серверов и выполнения высокопроизводительных вычислений уже много лет, а теперь машины с несколькими ядрами на одном кристалле (многоядерные процессоры) все чаще используются в качестве настольных компьютеров. И неважно, оснащена машина несколькими процессорами или одним процессором с несколькими ядрами (или комбинацией того и другого), она все равно может исполнять более одной задачи в каждый момент времени. Это называется аппаратным параллелизмом .

На рис. 1.1 показан идеализированный случай: компьютер, исполняющий ровно две задачи, каждая из которых разбита на десять одинаковых этапов. На двухъядерной машине каждая задача может исполняться в своем ядре. На одноядерной машине с переключением задач этапы той и другой задачи чередуются. Однако между ними существует крохотный промежуток времени (на рисунке эти промежутки изображены в виде серых полосок, разделяющих более широкие этапы выполнения) — чтобы обеспечить чередование, система должна произвести контекстное переключение при каждом переходе от одной задачи к другой, а на это требуется время. Чтобы переключить контекст, ОС должна сохранить состояние процессора и счетчик команд для текущей задачи, определить, какая задача будет выполняться следующей, и загрузить в процессор состояние новой задачи. Не исключено, что затем процессору потребуется загрузить команды и данные новой задачи в кэш-память; в течение этой операции никакие команды не выполняются, что вносит дополнительные задержки.