Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

thread_arg[ithread].tasks_to_complete = tasks_per_thread;

thread_arg[ithread].tasks_complete = &task_count[ithread];

thread_arg[ithread].phMutex = &hMutex;

worker_t[ithread] = (HANDLE)_beginthreadex (NULL, 0, worker, &thread_arg[ithread], 0, &ThId);

}

/* Ожидать завершения рабочих потоков. */

WaitForMultipleObjects(nthread, worker_t, TRUE, INFINITE);

free(worker_t);

printf("Выполнение рабочих потоков завершено\n");

for (ithread = 0; ithread < nthread; ithread++) {

_tprintf(_T("Количество заданий, выполненных потоком %5d: %6d\n"), ithread, task_count[ithread]);

}

return 0;

free(task_count);

free(thread_arg);

}

DWORD WINAPI worker(void *arg) {

THARG * thread_arg;

int ithread;

thread_arg = (THARG*)arg;

ithread = thread_arg->thread_number;

while (*thread_arg->tasks_complete < thread_arg->tasks_to_complete) {

delay_cpu(DELAY_COUNT);

WaitForSingleObject(*(thread_arg->phMutex), INFINITE);

(*thread_arg->tasks_complete)++;

ReleaseMutex(*(thread_arg->phMutex));

}

return 0;

}

Для изучения поведения различных вариантов реализации можно воспользоваться программой timep из главы 6 (программа 6.2). Тесты, которые проводились на системах, не загруженных никакими другими задачами, и состояли в выполнении 250 000 единичных рабочих заданий с использованием 1,2,4, 8, 16, 32, 64 и 128 потоков, показали следующие результаты:

• При небольшом количестве потоков (4 и менее) для выполнения каждого из вариантов реализации NS (отсутствие синхронизации), IN (функции взаимоблокировки) и CS (объекты CRITICAL_SECTION) требуется примерно одно и то же время. Вариант CS может оказаться несколько более медленным (10-20 процентов), демонстрируя типичное замедление работы программ, использующих синхронизацию. Вместе с тем, для выполнения варианта MX (мьютексы) требуется в два-три раза больше времени.

• Производительность варианта CS на однопроцессорных системах при использовании 5 и более потоков не всегда изменяется пропорционально количеству потоков. Картина может меняться при переходе от одной NT5-системы к другой, однако, как свидетельствуют данные, для каждой конкретной системы результаты согласуются между собой. В случае некоторых систем истекшее время удваивается при переходе к следующему члену ряда 1, 2, 4 и так далее, соответствующему количеству используемых потоков, но в одном случае (Windows 2000, процессор Pentium с частотой 1 ГГц, портативный компьютер) оно составляло (в секундах) 0.5, 1.0, 2.0, 4.0, 14.9, 16.0, 32.1 и 363.4, а в другом (Windows 2000, процессор Pentium 500 МГц, на стольный компьютер) — 1.2, 2.3, 4.7, 9.3, 42.7, 101.3, 207.8 и 1212.5 секунд. Как правило, резкое изменение поведения происходит тогда, когда количество потоков начинает превышать 4 или 8, но производительность остается приемлемой, пока количество потоков не превышает 128.

• В случае однопроцессорных систем вариант MX уступает варианту CS, причем отношение показателей производительности варьирует в пределах от 2:1 до 10:1 в зависимости от типа системы.

• В случае SMP-систем производительность может резко ухудшаться в десятки и сотни раз. Интуитивно кажется, что с увеличением количества процессоров производительность может только повышаться, но в силу механизмов внутренней реализации процессоры конкурируют между собой за право владения блокировками и обращения к памяти, и это объясняет, почему результаты для вариантов MX и CS оказываются практически одинаковыми. В случае объектов CS некоторого улучшения производительности удавалось добиться за счет тонкой настройки спин-счетчиков, о чем говорится в одном из следующих разделов.

• Для ограничения количества готовых к выполнению рабочих потоков без изменения базовой программной модели можно использовать семафоры. Эта методика рассматривается далее в этой главе.

Предупреждение

В массиве task_count намеренно использованы 32-битовые целые числа, чтобы увеличить верхний предел значений счетчика заданий и избежать создания предпосылок для возникновения "разрыва слов" ("word tearing") и "конфликтов строки кэша" ("cache line conflict") в SMP-системах. Два независимых процессора, на которых выполняются смежные рабочие потоки, могут одновременно изменять значения счетчиков смежных заданий путем внесения соответствующих изменений в свои кэши (32-битовые в системах на основе Intel x86). Вместе с тем, реально записываться в память будет только один кэш, что может сделать результаты недействительными. Чтобы избежать возможных рисков, следует позаботиться об отделении рабочих ячеек каждым из потоков друг от друга и их выравнивании в соответствии с размерами кэшей. В данном примере счетчик заданий может быть сгруппирован с аргументом потока, так что использованию 32-битовых счетчиков ничто не препятствует. Эта тема исследуется в упражнении 9.6.

На Web-сайте книги находится проект TimedMutualExclusion, который вы можете использовать для проведения собственных экспериментов с различными моделями "хозяин/рабочий" и характеристиками прикладных приложений. Ниже приводится перечень возможностей этой программы, которыми можно управлять из командной строки.

• Использование объектов CS или мьютексов.

• Глубина, или рекурсивность, счетчиков.

• Время удержания блокировки, или задержка (delay), которое моделирует объем работы, выполненной в пределах критического участка кода.

• Количество рабочих потоков, ограниченное системными ресурсами.

• Количество точек "засыпания" (sleep points), в которых рабочий поток уступает процессор, используя вызов Sleep(0), но продолжает владеть блокировкой. Точки "засыпания" моделируют ожидание рабочим потоком операций ввода/вывода или событий, тогда как задержка моделирует активность ЦП.

• Количество активных потоков, о чем говорится в разделе, посвященном дросселированию семафоров.

Регулируя параметры задержек и точек "засыпания", можно оказывать заметное воздействие на производительность, поскольку от этих параметров зависит доля времени, в течение которого поток владеет блокировкой, не давая выполняться другим потокам.

В листинг программы включены детальные комментарии, объясняющие порядок запуска программы и настройки параметров. В упражнении 9.1 вам предлагается провести самостоятельные эксперименты с использованием как можно большего количества различных систем, к которым у вас имеется доступ. Видоизмененный вариант этой программы под названием MutualExclusionSC поддерживает спин-счетчики, о которых говорится в следующем разделе.

Примечание

Программа TimedMutualExclusion представляет простую модель, способную отражать многие из особенностей рабочих потоков. Во многих случаях ее можно настроить так, чтобы она представляла реальное приложение, и если эта модель позволяет выявить определенные проблемы, связанные с ухудшением производительности, то не исключено, что с аналогичными трудностями вы столкнетесь и в случае реального приложения. С другой стороны, хорошие эксплуатационные показатели модели вовсе не обязательно означают, что такими же качествами будет обладать и реальное приложение, хотя хорошая исходная модель и способна упростить настройку его производительности.