Параллельное и распределенное программирование на С++

Хьюз Камерон

• Изменения, вносимые в основной поток (отмена, изменение приоритета и т.д.), могут влиять на поведение других потоков процесса; изменения, вносимые в родительский процесс, не влияют на сыновние процессы

Преимущества использования потоков

При управлении подзадачами приложения использование потоков имеет ряд преимуществ.

• Для переключения контекста требуется меньше системных ресурсов.

• Достигается более высокая производительность приложения.

• Для обеспечения взаимодействия между задачами не требуется никакого специального механизма.

• Программа имеет более простую структуру.

Переключение контекста при низкой (ограниченной) доступности процессора

При

организации процесса для выполнения возложенной на него функции может оказаться вполне достаточно одного основного потока. Если же процесс имеет множество параллельных подзадач, то их асинхронное выполнение можно обеспечить с помощью нескольких потоков, на переключение контекста которых потребуются незначительные затраты системных ресурсов. При ограниченной доступности процессора или при наличии в системе только одного процессора параллельное выполнение процессов потребует существенных затрат системных ресурсов в связи с необходимостью обеспечить переключение контекста. В некоторых ситуациях контекст процессов переключается только тогда, когда процессору последовательно назначаются потоки из разных процессов. Под системными затратами подразумеваются не только системные ресурсы, но и время, требуемое на переключение контекста. Но если система содержит достаточное количество процессоров, то переключение контекста не является проблемой.

Возможности повышения производительности приложения

Создание нескольких потоков повышает производительность приложения. При использовании одного потока запрос к устройствам ввода-вывода может остановить весь процесс. Если же в приложении организовано несколько потоков, то пока один из них будет ожидать удовлетворения запроса ввода-вывода, другие потоки, которые не зависят от заблокированного, смогут продолжать выполнение. Тот факт, что не все потоки ожидают завершения операции ввода-вывода, означает, что приложение в целом не заблокировано ожиданием, а продолжает работать.

Простая схема взаимодействия между параллельно выполняющимися потоками

Потоки не требуют специального механизма взаимодействия между подзадачами. Потоки могут напрямую передавать данные другим потокам и получать данные от них, что также способствует экономии системных ресурсов, которые при использовании нескольких процессов пришлось бы направлять на настройку и поддержку специальных механизмов взаимодействия. Потоки же используют общую память, выделяемую в адресном пространстве процесса. Процессы также могут взаимодействовать через общую память, но они имеют раздельные адресные пространства, и поэтому такая общая память должна быть вне адресных пространств обоих взаимодействующих процессов. Этот подход увеличит временные и пространственные расходы системы на поддержку и доступ к общей памяти. Схема взаимодействия между потоками и процессами показана на рис. 4 .2 .

Упрощение структуры программы

Потоки можно использовать, чтобы упростить структуру приложения. Каждому потоку назначается подзадача или подпрограмма, за выполнение которой он отвечает. Поток должен независимо управлять выполнением своей подзадачи. Каждому потоку можно присвоить приоритет, отражающий важность выполняемой им задачи Для приложения. Такой подход позволяет упростить поддержку программного кода.

Недостатки использования потоков

Простота доступности потоков к памяти процесса имеет свои недостатки.

• Потоки могут легко разрушить адресное пространство процесса.

• Потоки необходимо синхронизировать при параллельном доступе (для чтения или записи) к памяти.

• Один поток может ликвидировать целый процесс или программу.

• Потоки существуют только в рамках единого процесса и, следовательно, не являются многократно используемыми.

Рис. 4.2. Взаимодействие между потоками одного процесса и взаимодействие между несколькими процессами

Потоки могут легко разрушить адресное пространство процесса

Потоки

могут легко разрушить информацию процесса во время «гонки» данных, если сразу несколько потоков получат доступ для записи одних и тех же данных. При использовании процессов это невозможно. Каждый процесс имеет собственные данные, и другие процессы не в состоянии получить к ним доступ, если не сделать это специально. Защита информации обусловлена наличием у процессов отдельных адресных пространств. Тот факт, что потоки совместно используют одно и то же адресное пространство, делает данные незащищенными от искажения. Например, процесс имеет три потока — А, В и С. Потоки А и В записывают информацию в некоторую область памяти, а поток С считывает из нее значение и использует его для вычислений. Потоки А и В могут попытаться одновременно записать информацию в эту область памяти. Поток В может перезаписать данные, записанные потоком А, еще до того, как поток С получит возможность считать их. Поведение этих потоков должно быть синхронизировано таким образом, чтобы поток С мог считать данные, записанные потоком А, до того, как поток В их перезапишет. Синхронизация защищает данные от перезаписи до их использования. Тема синхронизации потоков рассматривается в главе 5.

Один поток может ликвидировать целую программу

Поскольку потоки не имеют собственного адресного пространства, они не изолированы. Если поток стал причиной фатального нарушения доступа, это может привести к завершению всего процесса. Процессы изолированы друг от друга. Если процесс разрушит свое адресное пространство, проблемы ограничатся этим процессом. Процесс может допустить нарушение доступа, которое приведет к его завершению, но все остальные процессы будут продолжать выполнение. Это нарушение не окажется фатальным для всего приложения. Ошибки, связанные с некорректностью данных, могут не выйти за рамки одного процесса. Но ошибки, вызванные некорректным поведением потока, как правило, гораздо серьезнее ошибок, допущенных процессом. Потоки могут стать причиной ошибок, которые повлияют на все адресное пространство всех потоков. Процессы защищают свои ресурсы от беспорядочного доступа со стороны других процессов. Потоки же совместно используют ресурсы со всеми остальными потоками процесса. Поэтому поток, разрушающий ресурсы, оказывает негативное влияние на процесс или программу в целом.

Потоки не могут многократно использоваться другими программами

Потоки зависят от процесса, в котором они существуют, и их невозможно от него отделить. Процессы отличаются большей степенью независимости, чем потоки. Приложение можно так разделить на задачи, порученные процессам, что эти процессы можно оформить в виде модулей, которые возможно использовать в других приложениях. Потоки не могут существовать вне процессов, в которых они были созданы и, следовательно, они не являются повторно используемыми. Преимущества и недостатки потоков сведены в табл. 4.2.

Анатомия потока

Образ потока встраивается в образ процесса. Как было описано в главе 3, процесс имеет разделы программного кода, данных и стеков. Поток разделяет разделы кода и данных с остальными потоками процесса. Каждый поток имеет собственный стек, выделенный ему в стековом разделе адресного пространства процесса. Размер потокового стека устанавливается при создании потока. Если создатель потока не определяет размер его стека, то система назначает размер по умолчанию. Размер, устанавливаемый по умолчанию, зависит от конкретной системы, максимально возможного количества потоков в процессе, размера адресного пространства, выделяемого процессу, и пространства, используемого системными ресурсами. Размер потокового стека должен быть достаточно большим для любых функций, вызываемых потоком, любого кода, который является внешним по отношению к процессу (например, это Может быть библиотечный код), и хранения локальных переменных. Процесс с несколькими потоками должен иметь стековый раздел, который будет вмещать все стеки его потоков. Адресное пространство, выделенное для процесса, ограничивает раз-Мер стека, ограничивая тем самым размер, который может иметь каждый поток. На Рис.4.3 показана схема процесса, который содержит два потока.