Камерон Хьюз - Параллельное и распределенное программирование на С++

Параллельно выполняемые процессы (или потоки в одном процессе) могут совместно использовать структуры данных, переменные или отдельные данные. Разделение глобальной памяти позволяет процессам или потокам взаимодействовать друг с другом и получать доступ к общим данным. При использовании нескольких процессов разделяемая глобальная память является внешней по отношению к ним. Внешнюю структуру данных можно использовать для передачи данных или команд между процессами. Если же необходимо организовать взаимодействие потоков, то они могут иметь доступ к структурам данных или переменным, являющимся частью одного и того же процесса, которому они принадлежат.

Если существуют процессы или потоки, которые получают доступ к разделяемым модифицируемым данным, структурам данных или переменным, то все эти данные находятся в критической области (или разделе) кода процессов или потоков. Критический раздел кода — это та его часть, в которой обеспечивается доступ потока или процесса к разделяемому блоку модифицируемой памяти и обработка соответствующих данных. Отнесение раздела кода к критическому можно использовать для управления состоянием «гонок». Например, создаваемые в программе два потока, поток А и поток В, используются для поиска нескольких ключевых слов во всех файлах системы. Поток А просматривает текстовые файлы в каждом каталоге и записывает нужные пути в списочную структуру данных TextFiles,а затем инкрементирует переменную FileCount.Поток В выделяет имена файлов из списка TextFiles,декрементирует переменную FileCount,после чего просматривает файл на предмет поиска в нем заданных ключевых слов. Файл, который их содержит, переписывается в другой файл, и инкрементируется еще одна переменная FoundCount.К переменной FoundCountпоток А доступа не имеет. Потоки А и В могут выполняться одновременно на отдельных процессорах. Поток А выполняется до тех пор, пока не будут просмотрены все каталоги, в то время как поток В просматривает каждый файл, путь к которому выделен из переменной TextFiles.Упомянутый список поддерживается в отсортированном порядке, и в любой момент его содержимое можно отобразить на экране.

Здесь возможна масса проблем. Например, поток В может попытаться выделить имя файла из списка TextFilesдо того, как поток А его туда поместит. Поток В может попытаться декрементировать переменную SearchCountдо того, как поток А её инкрементирует, или же оба потока могут попытаться модифицировать эту переменную одновременно. Кроме того, во время сортировки элементов списка TextFilesпоток А может попытаться записать в него имя файла, или поток В будет в это время пытаться выделить из него имя файла для выполнения своей задачи. Описанные проблемы—это примеры условий «гонок», при которых несколько потоков (или процессов) пытаются одновременно модифицировать один и тот же блок общей памяти.

Если потоки или процессы одновременно лишь читают один и тот же блок памяти, условия «гонок» не возникают. Они возникают в случае, когда несколько процессов или потоков одновременно получают доступ к одному и тому же блоку памяти, и по крайней мере один из этих процессов или потоков делает попытку модифицировать данные. Раздел кода становится критическим, когда он делает возможными одновременные попытки изменить один и тот же блок памяти. Один из способов защитить к ритический раздел — разрешить только монопольный доступ к блоку памяти. Монопольный доступ означает, что к разделяемому блоку памяти будет иметь доступ один процесс или поток в течении короткого промежутка времени, при этом всем остальным процессам или потокам запрещено (путем блокировки) входить в свои критические разделы, которые обеспечивают доступ к тому же самому блоку памяти.

Для управления условиями «гонок» можно использовать такой механизм блокировки, как взаимо - исключающий семафор, или мьютекс (mutex— сокращение от «mutual exclusion», - взаимное исключение). Мьютекс используется для блокирования критического раздела: он блокируется до входа в критический раздел, а при выходе из него - деблокируется:

Блокирование мьютекса

// Вход в критический раздел.

// Доступ к разделяемой модифицируемой памяти.

// Выход из критического раздела.

Деблокирование мьютекса

Класс pthread_mutex_tпозволяет смоделировать мьютексный объект. Прежде, чем объект типа pthread_mutex_tможно будет использовать, его необходимо инициализировать. Для инициализации мьютекса используется функция pthread_mutex_init().Инициализированный мьютекс можно заблокировать деблокировать и разрушить с помощью функций pthread_mutex_lock(), pthread_mutex_unlock() и pthread_mutex_destroy() соответственно. В программе 4.5 содержится функция, которая выполняет поиск текстовых файлов, а в программе 4.6 — функция, которая просматривает каждый текстовый файл на предмет содержания в нем заданных ключевых слов. Каждая функция выполняется потоком. Основной поток реализован в программе 4.7. Эти программы реализуют модель «изготовитель-потребитель» для делегирования задач потокам. Программа4.5 содержит поток-«изготовитель», а программа 4.6 — поток-«потребитель». Критические разделы выделены в них полужирным шрифтом.

// Программа 4.5

1 int isDirectory(string FileName)

2 {

3 struct stat StatBuffer;

4

5 lstat(FileName.c_str(),&StatBuffer);

6 if((StatBuffer.st_mode & S_IFDIR) == -1)

7 {

8 cout << «could not get stats on file» << endl;

9 return(0);

10 }

11 else{

12 if(StatBuffer.st_mode & S_IFDIR){

13 return(1);

14 }

15 }

16 return(0);

17 }

18

19

20 int isRegular(string FileName)

21 {

22 struct stat StatBuffer;

23

24 lstat(FileName.c_str(),&StatBuffer);

25 if((StatBuffer.st_mode & S_IFDIR) == -1)

26 {

27 cout << «could not get stats on file» << endl;

28 return(0);

29 }

30 else{

31 if(StatBuffer.st_mode & S_IFREG){

32 return(1);

33 }

34 }

35 return(0);

36 }

37

38

39 void depthFirstTraversal(const char *CurrentDir)

40 {

41 DIR *DirP;

42 string Temp;

43 string FileName;

44 struct dirent *EntryP;

45 chdir(CurrentDir);

46 cout << «Searching Directory: " << CurrentDir << endl;

47 DirP = opendir(CurrentDir);

48

49 if(DirP == NULL){

50 cout << «could not open file» << endl;

51 return;

52 }

53 EntryP = readdir(DirP);

54 while(EntryP != NULL)

55 {

56 Temp.erase();

57 FileName.erase();

58 Temp = EntryP->d_name;

59 if((Temp != ".») && (Temp != "..»)){

60 FileName.assign(CurrentDir);