Параллельное и распределенное программирование на С++
Шрифт:
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.
Координация порядка выполнения потоков
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
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.
Взаимоотношения между синхронизируемыми задачами
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
Отношения типа старт-старт (CC)
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).
Рис. 5.2. Возможные отношения синхронизации между задачами А и В
Отношения типа финиш-старт (ФС)
В отношениях синхронизации типа финиш-старт задача А не может завершиться до тех пор, пока не начнется задача В. Этот тип отношений типичен для родительско-сыновних процессов. Родительский процесс не может завершить выполнение некоторых операций до тех пор, пока не будет сгенерирован сыновний процесс или пока не будет получена обратная связь от сыновнего процесса, который начал выполнение. Сыновний процесс, «просигналивший» родителю или предоставивший ему необходимую информацию, продолжает выполняться, а родительский процесс после этого может завершиться.
Отношения типа старт-финиш (СФ)
Отношения типа старт-финиш можно считать обратным варианто м отношений типа финиш-старт. В отношениях синхронизации типа старт-финиш одна задача не м ожет начаться до тех пор, пока не завершится другая. Задача А не может начать выпо л нение до тех пор, пока задача В не финиширует или не завершит выполнение определенной операции. Если процесс А считывает данные из канала, связанного с процессом В, то процесс В должен записать данные в канал, прежде чем процесс А начнет считывать из него данные. Процесс В должен завершить по крайней мере одну операцию, записав в канал один элемент, прежде чем начнет действовать процесс А. Потоки,
Отношения типа старт-финиш обычно предполагают существование информационной зависимости между задачами. При информационной зависимости для корректной работы потоков или процессов необходимо обеспечить межпоточное или межпроцессное взаимодействие. Например, поток поиска данных в списке сгенерирует некорректные результаты, если не будет выполнена сортировка списка. И поток-«потребитель» не получит файлы для обработки, если поток-«производитель» не подготовит их для потребителя.
Отношения типа финиш-финиш (ФФ)
В отношениях синхронизации типа финиш-финиш одна за д ача не может завершиться до тех пор, пока не завершится другая, т.е. задача А не может финишировать до задачи В. Этот тип отношений можно применить к описанию отношений между родительскими и сыновними процессами, которые рассматривались в главе 3. Родительский процесс должен ожидать до тех пор, пока не завершатся все сыновние процессы, и только потом сможет завершиться сам. Если описанная последовательность нарушится, и родительский процесс финиширует раньше своих потомков, то эти завершенные сыновние процессы перейдут в зомбированное состояние. Родительские процессы не должны завершаться (выходить из системы в данном случае) до тех пор, пока не выполнятся до конца их сыновние процессы. Для родительских процессов это достигается за счет вызова функции wait для каждого из своих сыновних процессов либо ожидания деблокировки (освобождения) мьютекса или условной переменной, что может быть осуществлено сыновними потоками. Еще одним примером отношений типа финиш-финиш может служить модель «управляющий-рабочий». Задача управляющего потока — делегировать работу рабочим потокам. Для управляющего крайне нежелательно завершить работу раньше рабочих. В этом случае не были бы обработаны новые запросы к системе, не имели работы существующие потоки и не создавались новые. Если управляющий поток является основным потоком процесса, и он завершается, то процесс должен завершиться вместе со всеми рабочими потоками. Если в модели равноправных потоков поток А динамически создает объект, передаваемый потоку В, и поток А затем завершается, то вместе с ним разрушается и созданный им объект. Если это произойдет до того, как поток В получит возможность использовать этот объект, возникнет ошибка сегментации или нарушится доступ к данным Чтобы предотвратить возникновение этого типа ошибок, завершение потоков синхронизируется с помощью функции pthread_join. Обращение к этой функции заставляет вызывающий поток ожидать до тех пор, пока не финиширует заданный поток. Таким образом и создается синхронизация типа финиш-финиш.
Синхронизация доступа к данным
Существует разница между данными, раздел я емыми между процессами, и данными, разделяемыми между потоками. Потоки совместно используют одно и то же адресное пространство, в то время как процессы имеют отдельные адресные пространства. Если существуют два процесса А и В, то данные, объявленные в процессе А, недоступны процессу В, и наоборот. Следовательно, один из методов, используемых процессами для разделения данных, состоит в создании блока памяти, отображаемого затем на адресное пространство процессов, которые должны разделять память. Другой подход предполагает создание блока памяти, существующего вне адресного пространства обоих процессов. К типам механизмов межпроцессного взаимодействия (МПВ) относятся каналы, файлы и передача сообщений.
Именно блок памяти, разделяемый между потоками внутри одного и того же адресного пространства, и блок памяти, раздел я емый между процессами вне обоих адресных пространств, требует синхронизации данных. Память, разделяемая между потоками и процессами, показана на рис. 5 .3.
Синхронизация данных необходима для управления состоянием «гонок», а также для того, чтобы позволить параллельным потокам или процессам безопасно получить доступ к блоку памяти. Синхронизация данных позволяет управлять считыванием и модификацией данных в блоке памяти. В многопоточной среде параллельный доступ к общей памяти, глобальным переменным и файлам обязательно должен быть синхронизирован. Что касается программного кода задачи, то синхронизация данных необходима в тех его блоках, где делается попытка получить доступ к блоку памяти, глобальным переменным или файлам, разделяемым с другими параллельно выполняемыми процессами или потоками. Такие блоки кода называются критическими разделами. В качестве критического раздела может выступать любой блок кода, который изменяет позицию файлового указателя, записывает данные в файл, закрывает файл и считывает или устанавливает глобальные переменные либо структуры данных. Выделение таких задач, которые выполняют чтение или запись данных, является одним из этапов управления параллельным доступом к совместно используемой памяти.