Многопоточное программирование (стр. 3 )

При записи в массив выполняется операция: Са := 1, "закрыть", т. е. семафор C "закрывается по записи". При окончании записи выполняется операция Cа := 0 — "открыть", т. е. семафор C "открывается по записи".

Однако удобства семафора-счетчика могут быть реализованы в процедурах над двоичными семафорами. Т. е. двоичный семафор в действительности более универсален.

Процедура ОБЪЯВИТЬ (С) объявляет список семафоров, который рассматривается как описание, действующее внутри данного блока в алгоритмическом языке. Этим обеспечивается выделение памяти и тип переменной при трансляции.

Процедура ЗАКРЫТЬ (С) сначала присваивает семафорам, перечисленным в списке C, значение "закрыт". Затем для каждого семафора она проверяет, был ли он закрыт ранее. Если в списке C семафоров указан один или несколько семафоров, которые были закрыты до выполнения данной процедуры, происходит прерывание процесса (задачи). Процедура ОС, запустившаяся по прерыванию, ставит данный процесс в очередь к тем семафорам, которые были закрыты ранее. Таким образом, процесс задерживается до тех пор, пока другие процессы не откроют эти семафоры. После прерывания процесса и обработки прерывания процессор обращается к очереди для выборки следующего задания — "готового" процесса. Если до выполнения данной процедуры все семафоры из списка С были открыты, выполняется следующая инструкция программы.

Процедура ЖДАТЬ (С) в случае, если в C указаны семафоры со значением "закрыт", организует прерывание процесса. Процесс, ставший пассивным, дополняет очереди к закрытым семафорам из списка C. Концом выполнения процедуры является переход к анализу очереди "к процессору" для последующей загрузки процессора.

Процедура ЖУЖ (С) не переводит процесс в очереди к семафорам, а организует ожидание процессором, на котором выполняется процесс, момента открытия всех семафоров в режиме "жужжания" — непрерывного опроса семафоров, указанных в списке C.

Процедура ЖДАТЬ (С, Т) ограничивает время ожидания семафоров, указанных в списке C, значением T.

Процедура ОТКРЫТЬ (С) присваивает семафорам, указанным в списке C, значение "открыт". Процессы снимаются с очереди к указанным в C семафорам и, если они не стоят в очереди к другим семафорам, переводятся в очередь "к процессору" в соответствии с их приоритетом. Выполнение этих процессов на процессорах будет продолжено с повторного выполнения тех процедур ЗАКРЫТЬ (C') или ЖДАТЬ (C''), на которых ранее произошло прерывание данной задачи. Таким образом, если прерывание произошло при выполнении процедуры ЗАКРЫТЬ (C'), то всем семафорам, указанным в списке C', вновь присваивается значение "закрыт". При этом, если среди множества семафоров C' C окажутся такие, которые ранее были закрыты, или другой процесс (на другом процессоре) успел закрыть семафор из C' раньше, то выполнение данного процесса вновь прервется и он станет в очередь к закрытым семафорам.

Процедура ПРОПУСТИТЬ (С) полностью соответствует упрощенной версии процедуры ОТКРЫТЬ (C). Семафорам, перечисленным в списке C, присваивается значение "открыт", и процессы из очередей к данным семафорам переводятся в очередь "к процессору". Если процессы находились в очереди к семафорам из С после прерывания в результате выполнения процедур ЗАКРЫТЬ или ЖДАТЬ, то повторного выполнения этих процедур не происходит; процессы выполняются со следующей инструкции.

Пусть в однопроцессорной ВС в режиме реального времени решаются две задачи A и B с разной частотой решения. Задачи оформлены и запускаются как отдельные процедуры. Задача A решается в цикле длительности T0, задача B — в цикле длительности T1 = 4T0, но не ранее, чем в цикле длительности T1 будет решена один раз задача A. Можно предположить использование сигналов прерывания в моменты времени, кратные T0. Однако для организации временного режима решения задач мы воспользуемся возможностями операций над семафорами.

Будем полагать, что в моменты времени, кратные T0, но не кратные T1, запускается управляющий процесс (супервизор) УПР0, а в моменты времени, кратные T1, — управляющий процесс (супервизор) УПР1. Требуемая временная диаграмма решения задач представлена на рис. 11.2.

Предположим, первоначально t0 = t1 = 0. Тогда из первых команд УПР0 видно, что он включается в моменты

Начальные значения семафоров A и B1 — "закрыт", семафора В2 — "открыт". Первоначально задачи A и B находятся в очереди "к процессору". При их назначении на процессор и при выполнении первых процедур ЖДАТЬ (А) и ЖДАТЬ (В1, В2) произойдет прерывание. После него задача A находится в очереди к семафору A, задача B — к семафору В1. Пусть приоритет задачи A выше приоритета задачи B. (Задачи, решаемые с большей частотой, как правило, снабжаются более высоким приоритетом.)

В момент времени, кратный T1, задача УПР1 закрывает семафор B2, но открывает семафоры A и B1. Задача A переводится в очередь "к процессору". Пусть одного процессора достаточно для выполнения всех задач. Тогда с учетом приоритета в мультипрограммном режиме задача В решается в промежутки времени, не занятые решением других задач. После выполнения задачи УПР1 начинается выполнение задачи A с закрытия семафора A. Так как до выполнения процедуры ЗАКРЫТЬ(А) семафор А имел значение "открыт", то прерывания выполнения задачи A не произойдет и она будет решена до конца. В конце ее решения по процедуре ПРОПУСТИТЬ(В2) откроется семафор B2 и задача B перейдет в очередь "к процессору". Задача A организована по принципу зацикливания, т. е. после ее окончания управление передается на ее начало с процедуры ЗАКРЫТЬ(А). Так как к моменту выполнения этой процедуры семафор A закрыт в результате ее предыдущего выполнения, произойдет прерывание и постановка задачи A в очередь к семафору A. Этот семафор откроется только при выполнении задачи УПР0 после увеличения текущего времени на T0. При этом, т. к. открытие семафора A в задаче УПР0 производится процедурой ОТКРЫТЬ, а прерывание задачи A произошло по процедуре ЗАКРЫТЬ, то выполнение задачи A продолжится с выполнения процедуры ЗАКРЫТЬ(А). Таким образом, более чем однократное решение задачи A без прерывания вновь окажется невозможным.

Аналогично по принципу зацикливания организовано и решение задачи B. После однократного выполнения она будет прервана при повторном выполнении процедуры ЗАКРЫТЬ(В1). Семафор B1 откроется только при следующем выполнении задачи УПР1 после увеличения текущего времени на T. При этом выполнение задачи B продолжится с повторного выполнения процедуры ЗАКРЫТЬ(В1), т. к. семафор B1 открывается процедурой ОТКРЫТЬ. Однако продолжение выполнения задачи B станет возможным после открытия семафора B2. Он же окажется открытым только после однократного выполнения задачи A в цикле длительности T1 после выполнения процедуры ПРОПУСТИТЬ(В2) в конце решения задачи A. Использования этой процедуры в данном случае достаточно.

Таким образом, соблюдается требуемый порядок решения задач.

Теперь усложним пример. Предположим, что для решения задачи A одного процессора недостаточно и необходимо использовать возможности ее параллельного решения. Мы представляем эту задачу в виде частично упорядоченного множества информационно- взаимосвязанных работ — подзадач — и используем механизм семафоров для соблюдения порядка следования этих работ. При этом мы предполагаем, что в ВС реализовано децентрализованное диспетчирование, т. е. свободные процессоры обращаются за очередным заданием к очереди "к процессору". На рис. 11.4 представлена примерная граф-схема задачи на основе составляющих ее подзадач. Каждая вершина соответствует подзадаче. Стрелки определяют информационную преемственность. Процедура над семафорами, изображенная выше вершины, показывает, что соответствующая подзадача начинается с выполнения этой процедуры. Процедура, изображенная ниже вершины, показывает, что подзадача заканчивается выполнением этой процедуры.

Семафоры

Семафор – это объект синхронизации, задающий количество процессов и/или потоков, имеющих одновременный доступ к разделяемому ресурсу

По сути это безопасный счётчик

Значение счётчика может быть меньше 0 – это значит, что несколько потоков/процессов ожидают освобождения семафора

Виды

Двоичные (булевские)

Механизм защиты критичного ресурса

Начальное значение счётчика равно 1

Счётные

Механизм защиты ресурса, который можно одновременно использовать нескольким потокам/процессам

Начальное значение счётчика больше 1 – определяет количество процессов/потоков, имеющих доступ к ресурсу

Операции с семафорами

Взять (Get) – уменьшает значение счётчика на k, если в счётчике значение не меньше k, иначе поток блокируется

Вернуть (Put) – увеличивает значение счётчика на k

Попробовать взять (TryGet) – то же, что и Get, но не блокирует поток

Проверить (Test) – возвращает значение счётчика

Блокировать (Lock) – «обнулить», если значение счётчика больше 0

Разблокировать (Unlock) – вернуть столько, сколько сняли при блокировке

События

Событие – логический сигнал (оповещение), приходящий асинхронно по отношению к ходу процесса/потока

Состав

Булевская переменная: 1 – событие пришло, 0 – событие не пришло

Очередь потоков/процессов, ожидающих приход сообщения

Операции

Послать (Signal) – переменная события устанавливается в 1, активизируется первая задача из очереди ожидания

Послать всем (Broadcast) - переменная события устанавливается в 1, активизируются все задачи из очереди ожидания

Ожидать (Wait) – поставить задачу в очередь ожидания

Сбросить (Reset) – установить переменную события в 0

Проверить (Test) – узнать значение переменной события

3. Передача сообщений, "почтовый ящик". Метод "почтовых ящиков" является распространенной формой метода передачи сообщений.

Каждому процессу выделяется массив — "почтовый ящик", в который другие процессы направляют свои результаты или сигналы, необходимые для выполнения или запуска этого процесса.

Возможна реализация виртуальных процессоров. Свободный процессор опрашивает очередь подряд, т. е. в соответствии с невозрастанием приоритетов, и пытается запустить тот процесс, для которого в его "почтовом ящике" есть вся необходимая для этого информация. Либо же этот анализ может производить сам запускаемый процесс: если всей необходимой информации в его "почтовом ящике" нет, процесс прерывается и возвращается в очередь. Процессор продолжает циклический опрос очереди.

С помощью "почтовых ящиков" реализуется схема управления потоком данных (data flow), когда явное задание исходной информации для процесса является необходимым условием его запуска.

4. Механизм закрытия адресов. Осуществляется командой вида "закрыть адрес (по считыванию)". Адрес запоминается в специальном ЗУ, и при попытке считывания по нему производится ожидание — по аналогии с процедурой ЖУЖ. Открывается адрес по записи по нему. Для избежания тупиковых ситуаций, например,

ЗАКР a

СЧИТАТЬ a

указывается номер того процессора, который закрыл адрес. Тогда есть возможность принять какое-то решение. Например, разрешить процессору, закрывшему адрес, открыть его.

Вернемся к примеру счета способом "пирамиды". Наметилось решение проблемы синхронизации: пусть счет очередного элемента предваряется командой, закрывающей адрес результата — считаемого элемента. Засылка найденного элемента откроет адрес. Тогда, пока этот элемент не будет получен, его адрес не сможет использоваться для счета других элементов.

Такой способ синхронизации был приведен при рассмотрении архитектуры SPMD.

5. Механизм активного ожидания.

Он основан на том, что к разделяемой (т. е. к общедоступной) ячейке ОП одновременно может обращаться по записи или считыванию только один процессор. При этом конфликт разрешается аппаратно: один обращается, остальные ждут. Тогда в ячейках можно хранить информацию о состоянии процессов. Процессы их могут анализировать и изменять.

Пример рассмотрим далее, совместив его с рассмотрением одной из задач синхронизации.

6. Монитор.

Монитор - скорее сервисное средство, позволяющее пользователю избежать заботы о синхронизации использования разделяемых ресурсов. Это программный компонент, в котором разделяемые переменные (представленные именами разделяемых ресурсов) определены как локальные переменные монитора. Определены операции над этими переменными - процедуры монитора. Одновременно только один процесс работает с монитором! Когда процессу требуется работать с разделяемой переменной, активизируется соответствующая процедура монитора. Если при обращении процесса к монитору ресурс занят, то вызывающий процесс должен быть задержан.

С каждой причиной задержки процесса связана специальная переменная типа CONDITION (условие), и задерживаемый процесс ставится в очередь к некоторой переменной этого типа.

К переменным указанного типа применяются операции WAIT и SIGNAL. Операция WAIT ставит процесс в очередь к данной переменной (например, указывающей на занятость соответствующего ресурса). Операция SIGNAL позволяет активизировать процесс (в случае, когда условие выполнено).

Задачи синхронизации при использовании разделяемых ресурсов

Основные понятия

Объектами распараллеливания являются неделимые процессы — работы, на которые разбивается исходный алгоритм или разрабатываемая программная система.

Процессы используют различные устройства, данные, компоненты программного обеспечения, которые называются ресурсами системы.

Ресурсы, используемые несколькими процессами, называются разделяемыми.

Разделяемые ресурсы, которые одновременно могут использоваться не более чем одним процессом, называются критическими ресурсами. (Например, очередь "к процессору" — критический ресурс.)

Участки программы (процесса), где процессы обращаются к разделяемому ресурсу, называются критическими интервалами (блоками, секциями).

Процессы называются взаимосвязанными, если они используют общие критические ресурсы.

Процессы называются информационно-взаимосвязанными, если они обмениваются информацией. Процессы называются взаимосвязанными по управлению, если один из них вырабатывает условия для активизации другого (других). Ограничения на порядок выполнения процессов называются синхронизацией процессов. Отношения между процессами задаются правилами синхронизации. Для задания правил синхронизации используются механизмы (средства) синхронизации (рассмотренные выше матрицы следования, семафоры и др.) Задача синхронизации — это задача, в рамках которой требуется согласовать выполнение нескольких процессов. Решение таких задач достигается с помощью механизмов синхронизации. С задачами синхронизации связывают тупики (тупиковые ситуации). Тупик — это взаимная блокировка процессами друг друга, при которой их выполнение не может быть продолжено, а также самоблокировка.

Например, процессу A необходимы внешние устройства X, Y. С устройством Y пока работает процесс B. Тогда процесс A "захватывает" пока устройство X и ждет освобождения Y. Но устройство X потребовалось и процессу B, который также "зависает" в ожидании его освобождения.

Под общим тупиком подразумевается взаимная блокировка всех взаимосвязанных процессов. Под локальным тупиком понимается бесконечная блокировка одного из процессов при попытке войти в критический интервал.

Выше был приведен пример:

1."Закрыть адрес по считыванию" a

2."Считать по адресу" а

Здесь возможен локальный тупик — бесконечное выполнение команды (2), если другой процесс (на другом процессоре) или ОС не "откроет" адрес а.

Очереди сообщений (почтовые ящики)

Очередь сообщений (pipe) – объект обмена данными между потоками, устроенный в виде FIFO

Состав

Собственно, очередь сообщений

Очередь потоков, ожидающих сообщения

Очередь потоков, ожидающих освобождения места в почтовом ящике

Mutex для доступа к одним и тем же сообщениям в почтовом ящике из разных потоков

Операции очередей сообщений

Положить (Push)– положить сообщение в конец очереди, если очередь заполнена, то поток блокируется

Попробовать положить (TryPush) – то же, что и Push, но поток не блокируется

Положить в начало (PushStart) – положить сообщение в конец очереди, если очередь заполнена, то поток блокируется

Попробовать положить в начало (TryPushStart) – то же, что и PushStart, но поток не блокируется

Взять (Pop) – взять сообщение, если очередь пуста, поток блокируется

Попробовать взять (TryPop) – то же, что и Pop, но поток не блокируется

Очистить (Clear) – очистить очередь

Mutex

Mutex (mutual exclusion) – механизм синхронизации, предназначенный для устранения недостатков семафоров

Захват семафора после его случайного разблокирования всегда удачен и может привести к повреждению данных

Семафор является объектом ОС, поэтому для доступа к нему необходимо переключать задачи

Состав мьютекса

Булевский семафор

Идентификатор потока, захватившего разделяемый ресурс

Мьютексы хранятся в памяти процесса (локальные) или в разделяемой памяти процессов (глобальные)

Операции

Захватить (Lock) – если мьютекс захвачен другим потоком, текущий поток блокируется

Освободить (Unlock) – работает только для потока, являющегося владельцем мьютекса

Попробовать захватить (TryLock) – то же, что и Lock, но текущий поток не блокируется

Условные переменные – condvar

Condvar (Conditional Variable) – средство синхронизации, предназначенное для ожидания потоком некторого условия

Является событием, дополненным мьютексом

Ожидать (Wait) – {мьютекс должен быть заблокированным} освободить мьютекс, ожидать событие, захватить мьютекс

Послать (Send) – послать событие, если нет потоков, ожидающих событие, ничего не произойдёт

Послать всем (Broadcast) – то же, что и Send, но используется Послать всем (Broadcast) для события

Задачи синхронизации

Известны типичные задачи синхронизации, к которым могут быть сведены практически все известные способы упорядочения работ во времени. Эти задачи, как правило, решаются при реализации второго способа распараллеливания.

1. Задача взаимного исключения. Имеется несколько процессов, программы которых содержат критические интервалы, где процессы обращаются к одному разделяемому критическому ресурсу (например, к базе знаний). Требуется исключить одновременное вхождение в такие критические интервалы более чем одного процесса.

Требования к решению этой задачи:

•задержка любого процесса вне его критического интервала не должна влиять на развитие других процессов;

•решение должно быть симметрично относительно процессов;

•решение не должно допускать тупиков.

Решение с помощью механизма семафоров:

Для сравнения приведем альтернативный способ решения с помощью механизма активного ожидания.

Выделим ячейку памяти C, в которую будем записывать 0, если ни один из процессов не требует доступа к критическому ресурсу, и номер i того процесса (или выполняющего процессора), который вступил в свой критический интервал. Тогда условием вхождения i-го процесса в критический интервал является результат выполнения следующего оператора:

Действительно, если (C) = 0, то процесс может войти в критический интервал. Однако возможно, что через небольшое время другой процесс (на другом процессоре) тоже сделал такую же проверку и следом за первым произвел засылку в C своего номера. Поэтому требуется повторная проверка того, что в C находится именно номер данного процесса. При положительном результате повторного анализа процесс может вступить в критический интервал, т. е. занять критический ресурс. После выполнения критического интервала в C засылается 0.

С помощью механизма семафоров такая синхронизация выполняется значительно проще, т. к. многие действия предусмотрены внутри процедур их обработки.

2. Задача "поставщики — потребители". Имеется ограниченный буфер на несколько порций информации. Он является критическим ресурсом для процессов двух типов:

•процессы "поставщики", получая доступ к ресурсу, помещают на свободное место в буфере несколько или одну порцию информации;

•процессы "потребители", получая доступ к ресурсу, считывают из него порции информации.

Требуется исключить одновременный доступ к ресурсу любых двух процессов. При опустошении буфера следует задерживать процессы "потребители", при полном заполнении буфера — процессы "поставщики".

Эта задача возникает, например, при обмене с внешними устройствами и заключается в программной имитации кольцевого или бесконечного буфера.

Возможная схема решения задачи с помощью семафоров:

Тогда уточним данную процедуру с учетом используемых индикаторов считывания и заполнения.

3. Задача "читатели — писатели".

Имеется разделяемый ресурс — область памяти, к которой требуется доступ процессам двух типов:

Процессы первого типа — "ЧИТАТЕЛИ" — могут получать доступ к разделяемому ресурсу одновременно. Они считывают информацию.

Процессы второго типа — "ПИСАТЕЛИ" — взаимно исключают и друг друга, и "читателей". Они записывают в разделяемую область памяти данные.

Задача известна в двух вариантах:

1."Читатели", изъявившие желание получить доступ к ресурсу, должны получить его как можно быстрее; это — первая задача ЧП.

2.2. "Читатели", изъявившие желание получить доступ к ресурсу, должны получить его как можно быстрее, если отсутствуют запросы от "писателей". "Писатель", требующий доступ к ресурсу, должен получить его как можно быстрее, но после обслуживания "читателей", подошедших к ресурсу до первого "писателя". Это — вторая задача ЧП.

Приведем возможное решение задач с помощью комбинированного семафора.

Считаем, что процедура ОТКРЫТЬ ПО СЧИТЫВАНИЮ выполняется подобно процедуре ПРОПУСТИТЬ, изменяя только значение семафора-счетчика. Процедура ОТКРЫТЬ ПО ЗАПИСИ выполняется подобно процедуре ОТКРЫТЬ, "открывая" семафор и обеспечивая запуск "задержанных" процессов с процедур ЗАКРЫТЬ ПО ЗАПИСИ или ЖДАТЬ ПО ЗАПИСИ, при выполнении которых произошло прерывание.

Тогда критические интервалы для каждой задачи могут быть выполнены по следующим схемам.

4. Задача "обедающие философы". За круглым столом сидят k философов, которые проводят время, чередуя философские размышления с потреблением пищи. Перед каждым — тарелка спагетти, между тарелками — по одной вилке. Для еды каждому философу требуются две вилки. Использовать можно только вилки, лежащие рядом с тарелками. Так как переходы от размышления к принятию пищи производятся в непредсказуемые моменты времени, то возможны конфликты и требуется синхронизация процессов.

Представим следующую модель, требующую решение данной задачи, — модель оперативного обмена между процессорами векторной ВС или строк (столбцов) матричной

Например, после счета очередного элемента в узле сетки результаты должны быть переданы соседним процессорным элементам для использования в следующей итерации. Очевидна возможность конфликтов при попытке одновременной встречной передачи.

Пусть с i-м процессором для передачи влево связан "левый" семафор Ci, для передачи вправо — "правый" семафор Ci+1 (или наоборот). Пусть каждый процессор, нуждающийся в передаче двум соседям, пытается сначала закрыть свой "правый" (аналогично, "левый") семафор. Затем, если это не успел сделать левый сосед, он попытается закрыть "левый" семафор и произвести передачу. Тогда возможен общий тупик, если все процессоры одновременно закроют все семафоры. (При одновременном пересчете значений функции в узлах сетки вероятность такой ситуации высока.)

Разрешим четным процессорам сначала закрывать "левые" ("правые") семафоры, а нечетным — "правые" ("левые"). Тогда схемы программ для них будут выглядеть следующим образом:

Пусть процессор с нечетным номером i нуждается в обмене — влево и вправо. Он пытается выполнить процедуру ЗАКРЫТЬ(Ci+1). Предположим, что этот семафор (для него — "правый") закрыт i+1-м процессором. Но для этого процессора с четным номером этот семафор — также первый в порядке закрытия ("левый"). Следовательно, он либо ждет возможности закрытия своего "правого" семафора, либо ведет обмен. Если он ждет своего "правого" семафора, то он его дождется, т. к. он — второй для процессора i+2, ведущего обмен. Значит, этот процессор закончит обмен и откроет свой "левый" семафор. Тогда процессор i+1 выполнит обмен и откроет семафор Ci+1. Тогда и процессор i, наконец, сможет выполнить необходимую процедуру. После этого он попытается выполнить процедуру ЗАКРЫТЬ(Ci). Этот семафор является "правым", т. е. вторым для процессора с четным номером i-1. Следовательно, этот процессор закрыл оба связанных с ним семафора и ведет обмен. По окончании обмена он откроет семафоры, и процессор i дождется необходимого "левого" семафора и сможет его закрыть для себя. Таким образом, тупиковая ситуация возникнуть не может.

Обычно n — степень двойки. Если же n нечетно, то на границе n ↔ 1 взаимодействуют два "нечетных" процесса обмена. Здесь возможна блокировка, когда процессор 1 закроет C2, а процессор n — семафор C1 (1 = (n+1)mod n). Однако, процессор n обязательно дождется открытия семафора Cn и выполнит обмен. Значит и процессор 1 дождется открытия семафора C1, выполнит обмен и откроет C2. Так что тупики и в данном случае исключены.

Рассмотрение данной задачи синхронизации выводит нас за рамки традиционного применения мультипроцессорной системы типа MIMD, к каким относятся, например, ВС семейства "Эльбрус". Однако универсальность такой архитектуры допускает принципиальную возможность воспроизведения на ней более "жестких" архитектур — матричных и векторных, т. е. типа SIMD. Реализация метода "сеток" на матричных ВС или на структурах типа "гиперкуб" требует подобной передачи не только двум соседним процессорам по строке, но и соседним по столбцу, по диагонали и т. д. Значит, возможно обобщение данной задачи и алгоритма синхронизации. Указанный выше прием разделения процессоров на четные и нечетные может быть применен по всем направлениям обмена — по строкам, по столбцам, по диагонали и т. д.

5.Задача обновления данных. Предполагает запрет на использование обновляемых данных. Например, процессор обновляет запись в базе данных. В простейшем случае может быть использован признак, по которому запрещается обращение к данной записи, пока она не будет обновлена. (Конечно, мы не рассматриваем того примитивного решения, когда БД превращается в ресурс с последовательным доступом. Мы стремимся к многоканальному, параллельному доступу.)

Вместо признака может быть использован семафор. Ожидание может быть организовано процедурами ЖДАТЬ или ЖУЖ.

4  Реализация многопоточности на различных платформах

4.1  BSD, UNIX System V, POSIX, XPG

BSD

BSD – Berkeley Software Distribution (Berkeley UNIX) – система распространения программного обеспечения в исходных кодах, созданная для обмена между учебными заведениями.

Разработки производились с 1977 по 1995 годы в университете Калифорнии.

Эталонная реализация UNIX в BSD оказала большое влияние на развитие многих операционных систем

§  UNIX

§  Windows

§  Mac OS X

¡  Введены

§  Виртуальная память (VAX – Virtual Memory UNIX)

§  TCP/IP

§  NFS

UNIX System V

UNIX System V (SysV) – одна из первых успешных реализаций UNIX, выполненная компанией AT&T.

Считается эталонной реализацией, оказала большое влияние на POSIX.

Введены межпоточные взаимодействия внутри процесса:

§  Сообщения

§  Семафоры

§  Общая память

POSIX

POSIX – (Portable Operating System Interface for Unix  – переносимый интерфейс операционных систем Unix)  – набор стандартов, описывающих интерфейсы между операционной системой и прикладной программой.

Разработано комитетом 1003 IEEE, утверждено стандартом ISO/IEC 9945.

POSIX 1003.1 – Корневые службы

·  Создание и контроль процессов

·  Сигналы

·  Исключения плавающей точки

·  Нарушение сегментации

·  Запрещенные директивы

·  Ошибки шины

·  Таймеры

·  Операции над файлами (директориями)

·  Каналы

·  Библиотека C (включает стандарт ANSI C)

·  Интерфейс и контроль ввода/вывода

POSIX 1003.1b – Расширения реального времени

·  Планировка приоритетов

·  Сигналы реального времени

·  Таймеры и синхронизация

·  Семафоры

·  Передача сообщений

·  Общая память

·  Асинхронный и синхронный ввод/вывод

·  Интерфейс блокировки памяти

POSIX 1003.1c – Расширения потоков

·  Создание, контроль и очистка потоков

·  Планировщик потоков

·  Синхронизация потоков

·  Обработка сигналов

Поддержка POSIX операционными системами

·  Полная поддержка

o  Android OS

o  LynxOS

o  QNX

o  VxWorks

·  Неполная поддержка

o  FreeBSD

o  Linux

o  Symbian OS

·  POSIX для Windows NT

o  Поддерживается только POSIX 1003.1 http://msdn. /en-us/library/y23kc048(ja-jp, VS.90).aspx

o  Для расширения поддержки POSIX используется Interix

§  http://support. /kb/324081

§  http://msdn. /en-us/library/bb463220.aspx

XPG

XPG – X/Open Portability Guide – стандарт на ОС UNIX, являющийся более общим, чем POSIX. Определяет требования к операционной системе (тому, что она должна содержать)

4.2  WinAPI

Возможности по работе с потоками и процессами

·  Работа с процессами

·  Работа с потоками

·  Поддержка 32-разрядных и 64-разрядных потоков

·  Объединение совместно выполняющихся процессов в задания (Job)

·  Пулы потоков

·  Служба поддержки порядка потоков (Thread Ordering Service) – обеспечивает однократное выполнение потоков в нужном порядке в течение заданного периода

·  Служба планировщика мультимедийного класса (Multimedia Class Scheduler Service) – обеспечивает максимально допустимое использование процессора для мультимедийных приложений без запрета выделения ресурсов низкоприоритетным приложениям

·  Волокна (fiber) – возможность самостоятельно планировать выполнение модулей выполнения

·  Поддержка NUMA – (non-uniform memory access) – архитектуры многопроцессорных систем, в которой каждый процессор обладает собственной памятью и обменивается с остальными процессорами посредством кэшируемой шины

·  Работа с логическими процессорами и группами процессоров для поддержки более 64 логических процессоров

·  Пользовательский планировщик (User-Mode Scheduling UMS) – возможность написать собственный планировщик для управления переключением потоков

Управление потоками

·  Общие операции

o  CreateThread

o  OpenThread

o  SuspendThread

o  ResumeThread

o  GetCurrentThreadId

o  GetExitCodeThread

o  ExitThread – предпочтительный способ завершения потока

o  TerminateThread – опасна, стек потока не освобождается

o  WaitForSingleObject – ожидание завершения потока

o  GetTickCount – возвращает количество тиков (мс) с момента старта ОС

o  GetThreadTimes

o  Sleep

o  SuspendThread

·  Управление приоритетом

o  SetThreadPriority

o  GetThreadPriority

o  SetThreadPriorityBoost – разрешение или запрет динамического повышения приоритета потока (для активной задачи)

o  GetThreadPriorityBoost

·  Задание приоритетного процессора

o  SetThreadAffinityMask – на основе маски соответствия потока группе процессоров

o  SetThreadIdealProcessor – по номеру процессора

·  Список функций работы с процессами и потоками http://msdn. /en-us/library/ms684847(v=VS.85).aspx

·  Список функций обеспечения синхронизации http://msdn. /en-us/library/ms686360(v=VS.85).aspx

·  Использование разделяемой памяти http://msdn. /en-us/library/aa366878(v=VS.85).aspx

·  Пулы потоков http://www. *****/article/baseserv/threadpool. xml

·  Особенности реализации многозадачности http://www. *****/articles/read. php? id=39888

·  Критические секции http://www. *****/article/baseserv/critsec. xml

4.3  .NET

Потоки

Для создания потока необходимо указать метод, используемый для выполнения потока.

·  Основные операции

o  Запуск

o  Ожидание завершения

o  Запрос досрочного завершения

Пулы потоков

·  Запросы сервера удобно обрабатывать в отдельных потоках

·  Большое количество запросов – большое количество потоков – медленная работа

·  Необходимо ограничить количество потоков – так появился пул потоков

Таймеры

·  Выполнение периодически повторяющихся операций

·  Выполнение операций по истечении указанного интервала времени

·  Для выполнения операции таймера используется отдельный поток

·  Виды таймеров

o  System. Threading. Timer – обычный

o  System. Windows. Forms. Timer – «оконный», без создания дополнительного потока

o  System. Timers. Timer – устаревший класс

Модель асинхронного программирования

·  Asynchronous Programming Model (APM)

·  Используется для выполнения длительных операций в асинхронном режиме

·  Применимо к System. IO. Stream, . Sockets. Socket, System. Data. SqlClient. SqlCommand и других

·  Пары методов: BeginXxx, EndXxx

Стыковка в модели асинхронного программирования

·  Ожидание завершения

o  Метод EndXxx

·  Регулярный опрос (поллинг)

o  IAsyncResult. IsComplete

o  IAsyncResult. AsyncWaitHandle

·  Использование метода обратного вызова

Асинхронное выполнение синхронных операций

·  Используются асинхронные делегаты

·  Синхронному методу сопоставляется делегат

·  Делегат вызывается асинхронно

o  Метод BeginIvoke

·  Ожидание завершения асинхронной операции

o  Метод EndInvoke

·  Дополнительная информация http://msdn. /en-us/library/2e08f6yc. aspx

Обработка исключений

·  Исключение может произойти в любом потоке

·  Исключение будет выбрасываться повторно

o  При вызове EndXxx

o  При вызове EndInvoke

Контекст выполнения потока

·  Контекст включает

o  Параметры безопасности

o  Параметры локализации

o  Параметры транзакций

·  Контекст занимает много места и копируется в создаваемые потоки

·  Класс ExecutionContext позволяет управлять копированием контекста