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

В тех крайне редких случаях, когда стандартная библиотека не обеспечивает необходимой производительности или поведения, может возникнуть необходимость в использовании платформенно-зависимых средств.

Хотя библиотека многопоточности для С++ содержит достаточно полный набор средств для создания многопоточных программ, на любой платформе имеются специальные средства, помимо включенных в библиотеку. Чтобы можно было получить доступ к этим средствам, не отказываясь от использования стандартной библиотеки, типы, имеющиеся в библиотеки многопоточности, иногда содержат функцию-член native_handle(), которая позволяет работать на уровне платформенного API. По природе своей любые операции, выполняемые с помощью функции native_handle(), зависят от платформы и потому в данной книге (как и в самой стандартной библиотеке С++) не рассматриваются.

Разумеется, перед тем задумываться о применении платформенно-зависимых средств, стоит как следует разобраться в том, что предлагает стандартная библиотека, поэтому начнем с примера.

Итак, вы получили новенький, с пылу с жару компилятор, совместимый со стандартом С++11. Что дальше? Как выглядит многопоточная программа на С++? Да примерно так же, как любая другая программа, — с переменными, классами и функциями. Единственное существенное отличие состоит в том, что некоторые функции могут работать параллельно, поэтому нужно следить за тем, чтобы доступ к разделяемым данным был безопасен (см. главу 3). Понятно, что для параллельного исполнения необходимо использовать специальные функции и объекты, предназначенные для управления потоками.

Начнем с классического примера — программы, которая печатает фразу «Здравствуй, мир». Ниже приведена тривиальная однопоточная программа такого сорта, от нее мы будем отталкиваться при переходе к нескольким потокам.

#include

int main() {

std::cout << "Здравствуй, мир\n";

}

Эта программа всего лишь выводит строку Здравствуй мир в стандартный поток вывода. Сравним ее с простой программой «Здравствуй, параллельный мир», показанной в листинге 1.1, — в ней для вывода сообщения запускается отдельный поток.

#include

#include ← (1)

void hello() ← (2)

{

std::cout << "Здравствуй, параллельный мир\n";

}

int

main() {

std::thread t(hello); ← (3)

t.join(); ← (4)

}

Прежде всего, отметим наличие дополнительной директивы #include (1). Все объявления, необходимые для поддержки многопоточности, помещены в новые заголовочные файлы; функции и классы для управления потоками объявлены в файле , а те, что нужны для защиты разделяемых данных, — в других заголовках.

Далее, код вывода сообщения перемещен в отдельную функцию (2). Это объясняется тем, что в каждом потоке должна быть начальная функция , в которой начинается исполнение потока. Для первого потока в приложении таковой является main(), а для всех остальных задается в конструкторе объекта std::thread. В данном случае в качестве начальной функции объекта типа std::thread, названного t (3), выступает функция hello().

Есть и еще одно отличие вместо того, чтобы сразу писать на стандартный вывод или вызывать hello()из main(), эта программа запускает новый поток, так что теперь общее число потоков равно двум: главный, с начальной функцией main(), и дополнительный, начинающий работу в функции hello().

После запуска нового потока (3)начальный поток продолжает работать. Если бы он не ждал завершения нового потока, то просто дошел бы до конца main(), после чего исполнение программы закончилась бы быть может, еще до того, как у нового потока появился шанс начать работу. Чтобы предотвратить такое развитие событие, мы добавили обращение к функции join() (4); в главе 2 объясняется, что это заставляет вызывающий поток ( main()) ждать завершения потока, ассоциированного с объектом std::thread, — в данном случае t.

Если вам показалось, что для элементарного вывода сообщения на стандартный вывод работы слишком много, то так оно и есть, — в разделе 1.2.3 выше мы говорили, что обычно для решения такой простой задачи не имеет смысла создавать несколько потоков, особенно если главному потоку в это время нечего делать. Но далее мы встретимся с примерами, когда запуск нескольких потоков дает очевидный выигрыш.

В этой главе мы говорили о том, что такое параллелизм и многопоточность и почему стоит (или не стоит) использовать их в программах. Мы также рассмотрели историю многопоточности в С++ — от полного отсутствия поддержки в стандарте 1998 года через различные платформенно-зависимые расширения к полноценной поддержке в новом стандарте С++11. Эта поддержка, появившаяся очень вовремя, дает программистам возможность воспользоваться преимуществами аппаратного параллелизма, которые стали доступны в современных процессорах, поскольку их производители пошли но пути наращивания мощности за счет реализации нескольких ядер, а не увеличения быстродействия одного ядра.

Мы также видели (пример в разделе 1.4), как просто использовать классы и функции из стандартной библиотеки С++. В С++ использование нескольких потоков само по себе несложно — сложно спроектировать программу так, чтобы она вела себя, как задумано.

Закусив примерами из раздела 1.4, пора приступить к чему-нибудь более питательному. В главе 1 мы рассмотрим классы и функции для управления потоками.

■ Запуск потоков и различные способы задания кода, исполняемого в новом потоке.

■ Ждать завершения потока или позволить ему работать независимо?

■ Уникальные идентификаторы потоков.

Итак, вы решили написать параллельную программу, а конкретно — использовать несколько потоков. И что теперь? Как запустить потоки, как узнать, что поток завершился, и как отслеживать их выполнение? Средства, имеющиеся в стандартной библиотеке, позволяют относительно просто решить большинство задач управления потоками. Как мы увидим, почти все делается с помощью объекта std::thread, ассоциированного с потоком. Для более сложных задач библиотека позволяет построить то, что нужно, из простейших кирпичиком.

Мы начнем эту главу с рассмотрения базовых операций: запуск потока, ожидание его завершения, исполнение в фоновом режиме. Затем мы поговорим о передаче дополнительных параметров функции потока в момент запуска и о том, как передать владение потока от одного объекта std::threadдругому. Наконец, мы обсудим вопрос о том, сколько запускать потоков и как идентифицировать отдельный поток.