Объектно-ориентированное программирование. Лекции 13 и 14
•
0 likes•801 views
В лекциях дается описание основных средств языка C++ по созданию многопоточных программ.
![Hello World!
Example99_Thread
1. #include <iostream>
2. #include <thread>
3. void hello() {
4. std::cout<<"Hello Concurrent Worldn";
5. }
6. int main(int argc,char * argv[]){
7. std::thread t(hello); // launch new thread
8. t.join(); //wait for finish of threads
9. cin.get();
10.return 0;
11.}](https://image.slidesharecdn.com/oop201513-14-151130102621-lva1-app6892/85/13-14-22-320.jpg)
![Опасности в многопоточное среде
Example101_RaceCondition
int array[100];
…
std::thread s1(sort, array, 100, less);
std::thread s2(sort, array, 100, more);
s1.join();
s2.join();
Когда несколько
потоков имеют доступ к
одним и тем же данным
(бесконтрольный), то
результат работы
алгоритма не
определен!](https://image.slidesharecdn.com/oop201513-14-151130102621-lva1-app6892/85/13-14-35-320.jpg)
Объектно-ориентированное программирование. Лекции 13 и 14
- 2. Основные понятия • Мультипроцессирование - использование нескольких процессоров для одновременного выполнения задач. • Мультипрограммирование - одновременное выполнение нескольких задач на одном или нескольких процессорах.
- 3. Мультипроцессирование Мультипроцессирование бывает нескольких видов: • когда используются различные виды оборудования, например, одновременная работа центрального процессора и графического ускорителя видеокарты; • когда организуется одновременная работа равноправных устройств, выполняющих сходные задачи. Во втором случае бывает два подхода: • с выделением управляющего и подчиненных устройств (асимметричное мультипроцессирование) • с использованием полностью равноправных (симметричное мультипроцессирование).
- 4. SMP Shared Memory Processor или Symmetric MultiProcessor В таких компьютерах несколько процессоров подключены к общей оперативной памяти и имеют к ней равноправный и конкурентный доступ. По мере увеличения числа процессоров производительность оперативной памяти и коммутаторов, связывающих процессоры с памятью, становится критически важной. Обычно в SMP используются 2-8 процессоров; реже число процессоров достигает десятков. Взаимодействие одновременно выполняющихся процессов осуществляется посредством использования общей памяти, к которой имеют равноправный доступ все процессоры
- 6. MPP Massively Parallel Processors В MPP используют несколько однопроцессорных или SMP- систем, объединяемых с помощью некоторого коммуникационного оборудования в единую сеть. При этом может применяться как специализированная высокопроизводительная среда передачи данных, так и обычные сетевые средства - типа Ethernet. В MPP системах оперативная память каждого узла обычно изолирована от других узлов, и для обмена данными требуется специально организованная пересылка данных по сети. Для MPP систем критической становится среда передачи данных; однако в случае мало связанных между собой процессов возможно одновременное использование большого числа процессоров. Число процессоров в MPP системах может измеряться сотнями и тысячами.
- 8. Процессы и потоки • Программа (program) – это последовательность команд, реализующая алгоритм решения задачи. • Процесс (process) – это программа (пользовательская или системная) в ходе выполнения. • В современных операционных системах процесс представляет собой объект – структуру данных, содержащую информацию, необходимую для выполнения программы. Объект "Процесс" создается в момент запуска программы (например, пользователь дважды щелкает мышью на исполняемом файле) и уничтожается при завершении программы. • Процесс может содержать один или несколько потоков (thread) – объектов, которым операционная система предоставляет процессорное время. Сам по себе процесс не выполняется – выполняются его потоки. Таким образом, машинные команды, записанные в исполняемом файле, выполняются на процессоре в составе потока. Если потоков несколько, они могут выполняться одновременно.
- 9. Мультипрограммирование • В мультипрограммировании ключевым местом является способ составления расписания, по которому осуществляется переключение между задачами (планирование), а также механизм, осуществляющий эти переключения. • По времени планирования можно выделить статическое и динамическое составление расписания. • При статическом планировании расписание составляется заранее, до запуска приложений, и операционная система в дальнейшем просто выполняет составленное расписание. • В случае динамического планирования порядок запуска задач и передачи управления задачам определяется непосредственно во время исполнения.
- 14. Планировщик задач • Вытесняющая многозадачность предполагает наличие некоторого арбитра, принадлежащего обычно операционной системе, который принимает решение о вытеснении текущей выполняемой задачи какой-либо другой, готовой к выполнению, асинхронно с работой текущей задачи. • В качестве некоторого обобщения можно выделить понятие "момент перепланирования", когда активируется планировщик задач и принимает решение о том, какую именно задачу в следующий момент времени надо начать выполнять. Принципы, по которым назначаются моменты перепланирования, и критерии, по которым осуществляется выбор задачи, определяют способ реализации многозадачности и его сильные и слабые стороны. • Перепланирование: • Если смена приоритета вызывает перепланирование - значит, это система с абсолютными приоритетами и вытесняющей многозадачностью. • Если моменты перепланирования наступают по исчерпанию временных квантов (возможно постоянного размера, а возможно и переменного), то система поддерживает вытесняющую многозадачность с квантованием.
- 16. Причины изменения приоритета • запуск задачи (для возможно скорейшего начала исполнения); • досрочное освобождение процессора до исчерпания отведенного кванта (велик шанс, что задача и в этот раз так же быстро отдаст управление); • частый вызов операций ввода-вывода (при этом задача чаще находится в ожидании завершения операции, нежели занимает процессорное время); • продолжительное ожидание в очереди (приоритет ожидающей задачи часто постепенно начинают увеличивать);
- 19. Вытесняющий планировщик • У нас есть два вычислительных потока, выполняющих одну и ту же программу, и есть планировщик, который в произвольный момент времени перед выполнением любой инструкции может прервать активный поток и активировать другой. • instruction pointer и stack pointer —хранятся в регистрах процессора. Кроме них для корректной работы необходима и другая информация, содержащаяся в регистрах: флаги состояния, различные регистры общего назначения, в которых содержатся временные переменные, и так далее. Все это называется контекстом процессора.
- 20. Переключение контекста Переключение контекста — замена контекста одного потока другим. Планировщик сохраняет текущий контекст и загружает в регистры процессора другой. Текущая программа прерывается процессором в результате реакции на внешнее событие — аппаратное прерывание — и передает управление планировщику
- 21. За чем применять многозадачность? 1. Разделение программы на независимые части. Один процесс выполняет одну задачу (например, взаимодействие с пользователем), а другой – другую (например, вычисления). 2. Для увеличения производительности. Увеличение числа параллельных процессов не всегда приводит к ускорению программы.
- 22. Hello World! Example99_Thread 1. #include <iostream> 2. #include <thread> 3. void hello() { 4. std::cout<<"Hello Concurrent Worldn"; 5. } 6. int main(int argc,char * argv[]){ 7. std::thread t(hello); // launch new thread 8. t.join(); //wait for finish of threads 9. cin.get(); 10.return 0; 11.}
- 23. std::thread стандарт С++11 Конструктор template <class Fn, class... Args> explicit thread (Fn&& fn, Args&&... args); Принимает в качестве аргумента функтор и его параметры. void join(); Ожидает когда выполнение потока закончится.
- 24. Как передать объект? Example100_ThreadFunctor 1. #include <thread> 2. #include <iostream> 3. class MyClass{ 4. public: 5. // thread вызовет переопределенный оператор 6. void operator()(const char* param){ 7. std::cout << param << std::endl; 8. } 9. }; 10. int main() { 11. // передается копия объекта! 12. std::thread my_thread(MyClass(),"Hello world!"); 13. my_thread.join(); 14. return 0; 15. }
- 25. Передача параметров в поток Example102_ThreadMoveSemantics С помощью семантики перемещения можно передавать данные в поток, избегая накладных расходов на копирование большого объема данных в стек потока. С семантикой перемещения мы 100% уверены что к данным нашего потока не будет доступа из других потоков. class MyClass { protected: std::unique_ptr<Param> ptr; public: MyClass( std::unique_ptr<Param> &¶m) { ptr = std::move(param);} MyClass(MyClass &&other) { // конструктор перемещения ptr = std::move(other.ptr);} MyClass(const MyClass &) = delete; MyClass & operator=(const MyClass &)= delete; void operator()() { } // тут код потока };
- 27. Как дождаться завершения потока красиво? Example104_ScopedThread class Scoped_Thread { std::thread t; public: Scoped_Thread(std::thread&& t_) : t(std::move(t_)) { if (!t.joinable()) throw std::logic_error("No thread"); }; Scoped_Thread(std::thread& t_) : t(std::move(t_)) { if (!t.joinable()) throw std::logic_error("No thread"); }; Scoped_Thread(Scoped_Thread & other) : t(std::move(other.t)) { }; Scoped_Thread(Scoped_Thread && other) : t(std::move(other.t)) {}; Scoped_Thread& operator=(Scoped_Thread &&other) { t = std::move(other.t); return *this;} ~Scoped_Thread() { if (t.joinable()) t.join(); }; };
- 28. Проблемы работы с динамическими структурами данных в многопоточной среде При удалении элемента из связанного списка производится несколько операций: - удаление связи с предыдущим элементом - удаление связи со следующим элементом - удаление самого элемента списка Во время выполнения этих операций к этими элементами обращаться из других потоков нельзя!
- 29. Потоковая безопасность Свойство кода, предполагающее его корректное функционирование при одновременном исполнении несколькими потоками. Основные методы достижения: • Реентрабельность; • Локальное хранилище потока; • Взаимное исключение; • Атомарные операции;
- 30. Реентерабельность Свойство функции, предполагающее её корректное исполнение во время повторного вызова (например, рекурсивного). • Не должна работать со статическими (глобальными данными); • Не должна возвращать адрес статических (глобальных данных); • Должна работать только с данными, переданными вызывающей стороной; • Не должна модифицировать своего кода; • Не должна вызывать нереентерабельных программ и процедур.
- 31. Потоконебезопасный код Example105_RaceCondition void add_function( long * number){ for( long i=0;i<1000000000L;i++) (*number)++;} void subst_function( long * number){ for( long i=0;i<1000000000L;i++) (*number)--;} int main() { long number = 0; { Scoped_Thread th1(std::move(std::thread(add_function,&number))); Scoped_Thread th2(std::move(std::thread(subst_function,&number))); } // Результат неопределен! std::cout << "Result:" << number << std::endl; return 0; }
- 34. Замки lock_guard Example110_LockGuard 1. Захват в конструкторе 2. Освобождение в деструкторе 3. Используются методы мьютексов ◦ Захват: void lock(); ◦ Освободить: void unlock(); unique_guard Example111_UniqueLock 1. То же, что lock_guard 2. Используются методы мьютексов ◦ Попытаться захватить: bool try_lock(); ◦ Захват с ограничением: void timed_lock(...); 3. + Дополнительные функции получения мьютекса, проверки «захваченности»...
- 35. Опасности в многопоточное среде Example101_RaceCondition int array[100]; … std::thread s1(sort, array, 100, less); std::thread s2(sort, array, 100, more); s1.join(); s2.join(); Когда несколько потоков имеют доступ к одним и тем же данным (бесконтрольный), то результат работы алгоритма не определен!
- 41. future + async Example117_Future future – служит для получения результата вычислений из другого потока. Т.е. Функция выполняемая thread теперь может возвращать значение. – это шаблон (параметр – тип возвращаемого значения) – конструируется с помощью std::async — результат выполнения получается методом get() — asyncзапускает поток и синхронизирует результат с возвращаемым future T function() { return T(); } int main (){ std::future<T> fut = std::async (function); T x = fut.get(); }
- 42. future работает на promise Example118_Promise template <class T> promise – шаблон который сохраняет значение типа T, которое может быть получено с помощью future get_future – запрос future, связанного со значением внутри promise set_value – устанавливает значение (и передает его в вызов get_future) set_exception – передача исключения