Камерон Хьюз - Параллельное и распределенное программирование на С++

Для создания и управления потоками многопоточного приложения можно использовать библиотеку Pthread. Библиотека Pthread опирается на стандартизированный программный интерфейс, предназначенный для создания и поддержки потоков Этот интерфейс определен комитетом стандартов IEEE в стандарте POSIX 1003.1с Сторонние производители при создании своих продуктов должны придерживаться этого стандарта POSIX.

Во всех компьютерных системах ресурсы ограничены. Ведь любой объем памяти конечен, как и количество устройств ввода-вывода, портов, аппаратных прерываний и процессоров. Если в среде ограниченных аппаратных ресурсов приложение состоит из нескольких процессов и потоков, то эти составляющие должны конкурировать за память, периферийные устройства и процессорное время. Когда и как долго процесс или поток будет использовать системные ресурсы, определяет операционная система. При использовании приоритетного планирования операционная система может прерывать выполняющийся процесс или поток, чтобы удовлетворить все остальные процессы и потоки, соревнующиеся за системные ресурсы. Процессам и потокам приходится также соперничать за программные ресурсы и ресурсы данных. Примерами программных ресурсов служат разделяемые библиотеки (которые предоставляют в общее пользование набор процедур или функций для процессов и потоков), а также приложения, программы и утилиты. При совместном использовании программных ресурсов в памяти содержится только одна копия программного кода. Под ресурсами данных подразумеваются объекты, системные данные (например, переменные среды), файлы, глобально определенные переменные и структуры данных. Что касается ресурсов данных, то процессы и потоки могут иметь собственные копии данных. В других случаях желательно и, возможно, даже необходимо, чтобы данные были разделяемыми. Одни процессы и потоки, работая вместе, используют ограниченные системные ресурсы в определенном порядке, в то время как другие действуют независимо и асинхронно, соревнуясь за использование разделяемых pecypсов. Для управления процессами и потоками, конкурирующими за использование данных, программист может задействовать ряд специальных методов и механизмов.

Синхронизация также необходима для координации порядка выполнения параллельных задач. Примером может служить модель «изготовитель-потребитель», которая рассмотрена в главе 4. «Изготовитель» обязательно начинает выполняться до «потребителя», но не обязательно завершается до него. Подобные задачи нуждаются в синхронизации Синхронизация данных (синхронизация доступа к данным) и задач (синхронизация последовательностей инструкций) — два типа синхронизации, которые необходимо обеспечить при выполнении нескольких параллельных задач.

Предположим, у нас есть три параллельно выполняющихся потока — А, В и С. Все они участвуют в обработке списка. Список необходимо отсортировать, выполнить в нем операции поиска и вывода результатов. Каждому потоку назначается отдельная задача. Так, поток А должен отобразить результаты поиска, В — отсортировать список, а С — провести поиск. Сначала список необходимо отсортировать, затем выполнить несколько параллельных операций поиска, а уж потом отобразить результаты. Если задачи, выполняемые потоками, не синхронизировать надлежащим образом, то поток А может попытаться отобразить еще не сгенерированные результаты, что нарушит постусловие, или выхо д ное условие (postcondition), процесса. Предусловием, или вхо д ным условием (precondition), з д есь является необходимость получения отсортированно г о списка до выполнения в нем поиска. Поиск в неотсортированном списке может дать неверные результаты. Поэтому для этих трех потоков необходимо обеспечить синхронизацию задач, которая приводит в исполнение постусловия и предусловия ло г ических процессов. UML-диаграмма видов деятельности для этого процесса представлена на рис. 5.1.

Сначала поток В должен отсортировать список, затем эстафета управления передается «мно г оканальному» поиску, порождаемому потоком С. И только после завершения поисковых работ по всем направлениям поток А отображает результаты поиска.

Существует четыре основных типа отношений синхронизации между любыми двумя потоками в одном процессе или между любыми двумя процессами в одном приложении: старт-старт (CC), финиш-старт (ФС), старт-финиш (СФ) и финиш-финиш (ФФ). С помощью этих основных типов отношений можно охарактеризовать координацию задач между потоками и процессами. UML-диаграмма видов деятельности для каждого типа отношений синхронизации показана на рис. 5.2.

Рис. 5.1. Диаграмма видов деятельности для задач сортировки списка, поиска и отображения результатов поиска

В отношениях синхронизации типа старт-старт одна задача не может начаться до тех пор, пока не начнется другая. Одна задача может начаться раньше другой, нo не позже. Предположим, у нас есть программа, которая реализует инкарнацию (воплощение). Инкарнация «материализуется» в виде говорящей головы, созданной, разумеется, компьютерной программой. Инкарнация обеспечивает своего рода «одушевление» программ. Программа, которая реализует «одушевление», имеет несколько потоков. Здесь нас в первую очередь интересует поток А, который «отвечает» за анимацию результата, и поток В, который управляет звуком, или голосом, говорящей головы. Мы хотим создать иллюзию синхронизации звука и движений рта. В идеале они должны происходить абсолютно одновременно. При наличии нескольких процессоров оба потока могут начинаться одновременно. Эти потоки связаны отношением типа старт - старт. В соответствии с условиями временной синхронизации допускается, чтобы поток А начинался немного раньше потока В (именно немного — иначе будет нарушена иллюзия одновременности), но поток В не может начаться раньше потока А. Голос должен ожидать анимацию, а не наоборот. Совершенно нежелательно услышать голос до того, как зашевелятся губы (если это не синхронное озвучивание).