Параллельное и распределенное программирование на С++
Шрифт:
Преимущества распределенного программирования
Методы распределенного программирования позволяют воспользоваться преимуществами ресурсов, размещенных в Internet, в корпоративных Intranet и локальных сетях. Распределенное программирование обычно включает сетевое программирование в той или иной форме. Это означает, что программе, которая выполняется на одном компьютере в одной сети, требуется некоторый аппаратный или программный ресурс, который принадлежит другому компьютеру в той же или удаленной сети. Распределенное программирование подразумевает общение одной программы с другой через сетевое соединение, которое включает соответствующее оборудование (от модемов до спутников). Отличительной чертой распределенных программ является то, что они разбиваются на части. Эти части обычно реализуются как отдельные программы, которые, как правило, выполняются на разных компьютерах и взаимодействуют друг с другом через сеть. Методы распределенного программирования предоставляют доступ к ресурсам, которые географически могут находиться на большом расстоянии друг от друга. Например, распределенная программа, разделенная на компонент Web-сервера и компонент Web-клиента,
Простейшие модели распределенного программирования
Возможно, самой простой и распространенной моделью распределенной обработки данных является модель типа «клиент/сервер». В этой модели программа разбивается на две части: одна часть называется сервером, а другая — клиентом. Сервер имеет прямой доступ к некоторым аппаратным и программным ресурсам, которые желает использовать клиент. В большинстве случаев сервер и клиент располагаются на разных компьютерах. Обычно между клиентом и сервером существует отношение типа «множество-к-одному», т.е., как правило, один сервер отвечает на запросы многих клиентов. Сервер часто обеспечивает опосредованный доступ к огромной базе данных, дорогостоящему оборудованию или некоторой коллекции приложений. Клиент может запросить интересующие его данные, сделать запрос на выполнение вычислительной процедуры или обработку другого типа. В качестве примера приложения типа «клиент/сервер» приведем механизм поиска (search engine). Механизмы (или машины) поиска используются для поиска заданной информации в Internet или корпоративной Intranet. Клиент служит для получения ключевого слова или фразы, которая интересует пользователя. Часть ПО клиента затем передает сформированный запрос той части ПО сервера, которая обладает средствами поиска информации по заданному пользователем ключевому слову или фразе. Сервер либо имеет прямой доступ к информации, либо связан с другими серверами, которые имеют его. В идеальном случае сервер находит запрошенное пользователем ключевое слово или фразу и возвращает найденную информацию клиенту. Несмотря на то что клиент и сервер представляют собой отдельные программы, выполняющиеся на разных компьютерах, вместе они составляют единое приложение. Разделение ПО на части клиента и сервера и есть основной метод распределенного программирования. Модель типа «клиент/сервер» также имеет другие формы, которые зависят от конкретной среды. Например, термин «изготовитель-потребитель» (producer-consumer) можно считать близким родственником термина «клиент/сервер». Обычно клиент-серверными приложениями называют большие программы, а термин «изготовитель-потребитель» относят к программам меньшего объема. Если программы имеют уровень операционной системы или ниже, к ним применяют термин «изготовитель-потребитель», если выше — то термин «клиент/сервер» (конечно же, исключения есть из всякого правила).
Мультиагентные распределенные системы
Несмотря на то что модель типа «клиент/сервер» — самая распространенная модель распределенного программирования, все же она не единственная. Используются также агенты — рациональные компоненты ПО, которые характеризуются самонаведением и автономностью и могут постоянно находиться в состоянии выполнения. Агенты могут как создавать запросы к другим программным компонентам, так и отвечать на запросы, полученные от других программных компонентов. Агенты сотрудничают в пределах групп для коллективного выполнения определенных задач. В такой модели не существует конкретного клиента или сервера. Это — модель сети с равноправными узлами (peer-to-peer), в которой все компоненты имеют одинаковые права, и при этом у каждого компонента есть что предложить другому. Например, агент, который назначает цены на восстановление старинных спортивных машин, может работать вместе с другими агентами. Один агент может быть специалистом по моторам, другой — по кузовам, а третий предпочитает работать как дизайнер по интерьерам. Эти агенты могут совместно оценить стоимость работ по восстановлению автомобиля. Агенты являются распределенными, поскольку все они размещаются на разных серверах в Internet. Для связи агенты используют согласованный Internet-протокол. Для одних типов распределенного программирования лучше подходит модель типа «клиент/сервер», а для других — модель равноправных агентов. В этой книге рассматриваются обе модели. Большинство требований, предъявляемых к распределенному программированию, удовлетворяется моделями «клиент/сервер» и равноправных агентов.
Минимальные требования
Параллельное и распределенное программирование требует определенных затрат. Несмотря на описанные выше преимущества, написание параллельных и распределенных программ не обходится без проблем и необходимости наличия предпосылок. О проблемах мы поговорим в главе 2, а предпосылки рассмотрим в следующих разделах. Написанию программы или разработке отдельной части ПО должен предшествовать процесс проектирования. Что касается параллельных и распределенных программ, то процесс проектирования должен включать три составляющих: декомпозиция, связь и синхронизация (ДСС).
Декомпозиция
Декомпозиция — это процесс разбиения задачи и ее решения на части. Иногда части группируются в логические области (т.е. поиск, сортировка, вычисление, ввод и вывод данных и т.д.). В других случаях части группируются по логическим ресурсам (т.е. файл, связь, принтер, база данных и т.д.). Декомпозиция программного решения часто сводится к декомпозиции работ (work breakdown structure — WBS). Декомпозиция работ определяет, что должны делать разные части ПО. Одна из основных проблем параллельного программирования — идентификация естественной декомпозиции работ для программного решения. Не существует простого и однозначного подхода к идентификации WBS. Разработка ПО — это процесс перевода принципов, идей, шаблонов, правил, алгоритмов или формул в набор инструкций, которые выполняются, и данных, которые обрабатываются компьютером. Это, в основном, и составляет процесс моделирования. Программные модели — это воспроизведение в виде ПО некоторой реальной задачи, процесса или идеала. Цель модели— сымитировать или скопировать поведение и характеристики некоторой реальной сущности в конкретной предметной области. Процесс моделирования вскрывает естественную декомпозицию работ программного решения. Чем лучше модель понята и разработана, тем более естественной будет декомпозиция работ. Наша цель — обнаружить параллелизм и распределение с помощью моделирования. Если естественный параллелизм не наблюдается, не стоит его навязывать насильно. На вопрос, как разбить приложение на параллельно выполняемые части, необходимо найти ответ в период проектирования, и правильность этого ответа должна стать очевидной в модели решения. Если модель задачи и решения не предполагает параллелизма и распределения, следует попытаться найти последовательное решение. Если последовательное решение оказывается неудачным, эта неудача может дать ключ к нужному параллельному решению.
Связь
После декомпозиции программного решения на ряд параллельно выполняемых частей обычно возникает вопрос о связи этих частей между собой. Как же реализовать связь, если эти части разнесены по различным процессам или различным компьютерам? Должны ли различные части ПО совместно использовать общую область памяти? Каким образом одна часть ПО узнает о том, что другая справилась со своей задачей? Какая часть должна первой приступить к работе? Откуда один компонент узнает об отказе другого компонента? На эти и многие другие вопросы необходимо найти ответы при проектировании параллельных и распределенных систем. Если отдельным частям ПО не нужно связываться между собой, значит, они в действительности не образуют единое приложение.
Синхронизация
Декомпозиция работ, как уже было отмечено выше, определяет, что должны делать разные части ПО. Когда множество компонентов ПО работают в рамках одной задачи, их функционирование необходимо координировать. Определенный компонент должен «уметь» определить, когда достигается решение всей задачи. Необходимо также скоординировать порядок выполнения компонентов. При этом возникает множество вопросов. Все ли части ПО должны одновременно приступать к работе или только некоторые, а остальные могут находиться пока в состоянии ожидания? Каким двум (или больше) компонентам необходим доступ к одному и тому же ресурсу? Кто имеет право получить его первым? Если некоторые части ПО завершат свою работу гораздо раньше других, то нужно ли им «поручать» новую работу? Кто должен давать новую работу в таких случаях? ДСС (декомпозиция, связь и синхронизация) — это тот минимум вопросов, которые необходимо решить, приступая к параллельному или распределенному программированию. Помимо сути проблем, составляющих ДСС, важно также рассмотреть их привязку. Существует несколько уровней параллелизма в разработке приложений, и в каждом из них ДСС-составляющие применяются по-разному.
Базовые уровни программного параллелизма
В этой книге мы исследуем возможности параллелизма в пределах приложения (в противоположность параллелизму на уровне операционной системы или аппаратных средств). Несмотря на то что параллелизм на уровне операционной системы или аппаратных средств поддерживает параллелизм приложения, нас все же интересует само приложение. Итак, параллелизм можно обеспечить на уровне:
• инструкций;
• подпрограмм (функций или процедур);
• объектов;
• приложений.
Параллелизм на уровне инструкций
Параллелизм на уровне инструкций возникает, если несколько частей одной инструкции могут выполняться одновременно. На рис. 1.3 показан пример декомпозиции одной инструкции с целью достижения параллелизма выполнения отдельных операций.
На рис. 1.3 компонент (А + В) можно вычислить одновременно с компонентом (С - D) • Этот вид параллелизма обычно поддерживается директивами компилятора и не попадает под управление С++-программиста.
Рис. 1.3. Декомпозиция одной инструкции
Параллелизм на уровне подпрограмм
ДСС структуру программы можно представить в виде ряда функций, т.е. сумма работ, из которых состоит программное решение, разбивается на некоторое количество функций. Если эти функции распределить по потокам, то каждую функцию в этом случае можно выполнить на отдельном процессоре, и, если в вашем распоряжении будет достаточно процессоров, то все функции смогут выполняться одновременно. Подробнее потоки описываются в главе 4.