Zaawansowane programowanie w C++ (PCP) - Wyklad 10

Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Wykład 10 - boost Thread.
dr inż. Robert Nowak
8 czerwca 2007
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Równoległość
I
bardzo wolna reakcja człowieka
I
wolne urządzenia wejścia - wyjścia (np. drukarki)
I
bardzo szybkie procesory
można przeprowadzać obliczenia podczas obsługi urządzeń
Pojęcie równoległości:
I
na platformach jednoprocesorowych (jednordzeniowych)
I
na platformach wieloprocesorowych (wielordzeniowych)
wieloprocesowe systemy operacyjne
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Aplikacje wielowątkowe
Wątek („lekki proces”), pozwala realizować niezależne ciągi
instrukcji w ramach procesu. Wątki współdzielą kod i dane
(przestrzeń adresową) oraz zasoby.
I
lepiej wykorzystuje dostępną moc obliczeniową
I
pozwalają na obsługę wielu zleceń równolegle
I
mechanizm nie wprowadza dużych narzutów.
Stany wątku
gotowy
wykonywany
zatrzymany
blokowany
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
wątki (2)
Współdzielone są:
I
zmienne statyczne i globalne
I
sterta (heap) i zmienne dynamiczne (adres jest unikalny
niezależnie od wątku)
I
obiekty automatyczne (na stosie) jeżeli dostęp jest przez
wskaźnik lub referencje
I
zasoby systemu operacyjnego (pliki, okna itp)
I
kod wykonywany
Niezależne są:
I
rejestry, ciąg wykonywanych instrukcji, stos
I
zmienne automatyczne
Program ma zawsze jeden wątek (funkcja main() ) - wątek główny
lub inicjujący. Może tworzyć dodatkowe wątki.
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Wątki a C++
C++ jest przygotowany do implementacji aplikacji wielowątkowych
I
większość funkcji z biblioteki standardowej może być
bezpiecznie używana w różnych wątkach
I
należy używać bibliotek przeznaczonych do pracy
wielowątkowej (np. obsługa sterty)
zabronione funkcje (przechowują stan pomiędzy wołaniami)
I
I
I
I
rand (<cstdlib>)
strtok (<cstring>)
asctime, ctime, gmtime, localtime (<ctime>)
standard języka nie dostarcza mechanizmów tworzenia i
synchronizacji wątków
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
boost::thread - wątki w C++
#include <boost/thread/thread.hpp>
//Funkcja główna wątku użytkownika
void my_thread() { /* ... */ }
//Można też użyć funktora
class MyThread {
public:
//tutaj implementacja funkcji wątku użytkownika
void operator()() { /* ... */ }
};
int main() {
boost::thread thrd(&my_thread); //Utworzenie i uruchomienie wątku
thrd.join(); //Biezacy watek czeka na zakonczenie watku thrd
}
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Problemy z programowaniem równoległym
wyścigi (race conditions): wiele wątków pisze lub czyta tę samą
pamięć → niewłaściwa wartość ( niezdefiniowane zachowanie ).
watek 1
nr:12
wolne
watek 2
znajduje wolne
miejsce
znajduje wolne
miejsce
rezerwuje
miejsce
nr:12
zajęte
klient1
rezerwuje
miejsce
czas
nr:12
zajęte
klient2
rozwiązanie problemu: synchronizacja (blokady)
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Blokady w boost
mutex (mutual-execution) jest używany do szeregowania dostępu
do zasobu. Stany: zablokowany, odblokowany.
//Utworzenie obiektu służącego do synchronizacji
boost::mutex mutex_resource;
/* ... */
{
//scoped_lock - zdobywanie jest inicjacją,
//konstruktor: lock, destruktor: unlock
boost::mutex::scoped_lock scoped_lock(mutex_resource);
//Tutaj dostęp do zasobu
}//Tutaj zwolnienie zasobu
boost::mutex
boost::try_mutex
boost::timed_mutex
boost::read_write_mutex
boost::try_read_write_mutex
boost::timed_read_write_mutex
dr inż. Robert Nowak
boost::recursive_mutex
boost::recursive_try_mutex
boost::recursive_timed_mutex
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Problemy przy stosowaniu blokad
I
zakleszczenia (deadlock)
I
zagłodzenia (starvation)
Watek 1
Watek 2
blokuj A
blokuj B
blokuj B
czeka na
zwolnienie B
czas
dr inż. Robert Nowak
blokuj A
czeka na
zwolnienie A
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
problemy z usuwaniem błędów w aplikacjach wielowątkowych
I
niektóre błędy są niepowtarzalne
I
różne zachowanie się wersji debug od release
I
debugger potrzebuje specjalnego wsparcia aby pokazać stany
wątków
I
testy na platformach z jednym procesorem (rdzieniem) mogą
nie pokazywać błędów które wystąpią na platformach
posiadających wiele procesorów (rdzieni)
I
trudno testować wszystkie możliwe przebiegi sterowania
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Typowe kończenie wątku
nie ma możliwości przerwania wątku z zewnątrz
class MyThread {
public:
MyThread() : finish_(false) {}
void finish() { finish_ = true; }
void operator()() {
while(!finish_) {
/* tutaj część przetwarzania */
/* a następnie sprawdzanie warunku !finish_ */
}
}
private:
volatile bool finish_;
};
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)
Podsumowanie
I
aplikacje wielowątkowe są coraz bardziej powszechne
I
boost zapewnia obiekty reprezentujące wątki oraz mechanizmy
synchronizacyjne
I
wątki i mechanizm wyjątków
dr inż. Robert Nowak
Zaawansowane programowanie w C++ (PCP)