Разработка многопоточного приложения. Пример простого многопоточного приложения

Потоки и процессы - это связанные понятия в вычислительной технике. Оба представляют из себя последовательность инструкций, которые должны выполняться в определенном порядке. Инструкции в отдельных потоках или процессах, однако, могут выполняться параллельно.

Процессы существуют в операционной системе и соответствуют тому, что пользователи видят, как программы или приложения. Поток, с другой стороны, существует внутри процесса. По этой причине потоки иногда называются "облегченные процессы". Каждый процесс состоит из одного или более потоков. Существование нескольких процессов позволяет компьютеру "одновременно" выполнять несколько задач. Существование нескольких потоков позволяет процессу разделять работу для параллельного выполнения. На многопроцессорном компьютере процессы или потоки могут работать на разных процессорах. Это позволяет выполнять реально параллельную работу.

Абсолютно параллельная обработка не всегда возможна. Потоки иногда должны синхронизироваться. Один поток может ожидать результата другого потока, или одному потоку может понадобиться монопольный доступ к ресурсу, который используется другим потоком. Проблемы синхронизации являются распространенной причиной ошибок в многопоточных приложениях. Иногда поток может закончиться, ожидая ресурс, который никогда не будет доступен. Это кончается состоянием, которое называется взаимоблокировка.

Первое, что надо усвоить - процесс состоит хотя бы из одного потока . В ОС каждому процессу соответствует адресное пространство и одиночный управляющий поток. Фактически это и определяет процесс.

С одной стороны, процесс можно рассматривать как способ объединения родственных ресурсов в одну группу . У процесса есть адресное пространство, содержащее текст программы и данные, а также другие ресурсы. Ресурсами являются открытые файлы, дочерние процессы, необработанные аварийные сообщения, обобработчики сигналов, учетная информация и многое другое. Гораздо проще управлять ресурсами, объединив их в форме процесса.

С другой стороны, процесс можно рассматривать как поток исполняемых кокоманд или просто поток . У потока есть счетчик команд, отслеживающий порядок выполнения действий. У него есть регистры, в которых хранятся текущие переменные. У него есть стек, содержащий протокол выполнения процесса, где на каждую процедуру, вызванную, но еще не вернувшуюся, отведен отдельный фрейм. Хотя поток должен исполняться внутри процесса, следует различать концепции потока и процесса.Процессы используются для группирования ресурсов, а потоки являются объектами, поочередно исполняющимися на центральном процессоре.

Концепция потоков добавляет к модели процессавозможность одновременного выполнения в одной и той же среде процесса нескольких программ , в достаточной степени независимых. Несколько потоков, работающих параллельно в одном процессе, аналогичны нескольким процессам, идущим параллельно на одном компьютере. В первом случае потоки разделяют адресное пространство, открытые файлы и другие ресурсы. Во втором случае процессы совместно пользуются физической памятью, дисками, принтерами и другими ресурсами. Потоки обладают некоторыми свойствами процессов, поэтому их иногда называют упрощенными процессами. Терминмногопоточность также используется для описания использования нескольких потоков в одном процессе.

Любой поток состоит из двух компонентов:

объекта ядра , через который операционная система управляет потоком. Там же хранится статистическая информация о потоке(дополнительные потоки создаются также ядром);
стека потока , который содержит параметры всех функций и локальные переменные, необходимые потоку для выполнения кода.

Подводя черту, закрепим: главное отличие процессов от потоков , состоит в том, что процессы изолированы друг от друга, так используют разные адресные пространства, а потоки, могут использовать одно и то же пространство (внутри процесса) при этом, выполняя действия не мешаяя друг другу. В этом и заключается удобство многопоточного программинга : разбив приложение на несколько последовательных потоков, мы можем увеличить производительность, упростить пользовательский интерфейс и добиться масштабируемости (если Ваше приложение установят на многопроцессорную систему, выполняя потоки на разных процах, ваша прога будет работать с аховой скоростью=)).

1. Поток (thread) определяет последовательность исполнения кода в процессе.

2. Процесс ничего не исполняет, он просто служит контейнером потоков.

3. Потоки всегда создаются в контексте какого-либо процесса, и вся их жизнь проходит только в его границах.

4. Потоки могут исполнять один и тот же код и манипулировать одними и теми же данными, а также совместно использовать описатели объектов ядра, поскольку таблица описателей создается не в отдельных потоках, а в процессах.

5. Так как потоки расходуют существенно меньше ресурсов, чем процессы, старайтесь решать свои задачи за счет использования дополнительных потоков и избегайте создания новых процессов(но подходите к этому с умом).

Многозада́чность (англ. multitasking ) - свойство операционной системы или среды программирования обеспечивать возможность параллельной (или псевдопараллельной) обработки нескольких процессов. Истинная многозадачность операционной системы возможна только в распределённых вычислительных системах.

Файл:Screenshot of Debian (Release 7.1, "Wheezy") running the GNOME desktop environment, Firefox, Tor, and VLC Player.jpg

Рабочий стол современной операционной системы, отражающий активность нескольких процессов.

Существует 2 типа многозадачности :

· Процессная многозадачность (основанная на процессах - одновременно выполняющихся программах). Здесь программа - наименьший элемент кода, которым может управлять планировщик операционной системы. Более известна большинству пользователей (работа в текстовом редакторе и прослушивание музыки).

· Поточная многозадачность (основанная на потоках). Наименьший элемент управляемого кода - поток (одна программа может выполнять 2 и более задачи одновременно).

Многопоточность - специализированная форма многозадачности .

· 1 Свойства многозадачной среды

· 2 Трудности реализации многозадачной среды

· 3 История многозадачных операционных систем

· 4 Типы псевдопараллельной многозадачности

o 4.1 Невытесняющая многозадачность

o 4.2 Совместная или кооперативная многозадачность

o 4.3 Вытесняющая или приоритетная многозадачность (режим реального времени)

· 5 Проблемные ситуации в многозадачных системах

o 5.1 Голодание (starvation)

o 5.2 Гонка (race condition)

· 7 Примечания

Свойства многозадачной среды[править | править исходный текст]

Примитивные многозадачные среды обеспечивают чистое «разделение ресурсов», когда за каждой задачей закрепляется определённый участок памяти, и задача активизируется в строго определённые интервалы времени.

Более развитые многозадачные системы проводят распределение ресурсов динамически, когда задача стартует в памяти или покидает память в зависимости от её приоритета и от стратегии системы. Такая многозадачная среда обладает следующими особенностями:

· Каждая задача имеет свой приоритет, в соответствии с которым получает процессорное время и память

· Система организует очереди задач так, чтобы все задачи получили ресурсы, в зависимости от приоритетов и стратегии системы

· Система организует обработку прерываний, по которым задачи могут активироваться, деактивироваться и удаляться

· По окончании положенного кванта времени ядро временно переводит задачу из состояния выполнения в состояние готовности, отдавая ресурсы другим задачам. При нехватке памяти страницы невыполняющихся задач могут быть вытеснены на диск (своппинг), а потом через определённое системой время, восстанавливаться в памяти

· Система обеспечивает защиту адресного пространства задачи от несанкционированного вмешательства других задач

· Система обеспечивает защиту адресного пространства своего ядра от несанкционированного вмешательства задач

· Система распознаёт сбои и зависания отдельных задач и прекращает их

· Система решает конфликты доступа к ресурсам и устройствам, не допуская тупиковых ситуаций общего зависания от ожидания заблокированных ресурсов

· Система гарантирует каждой задаче, что рано или поздно она будет активирована

· Система обрабатывает запросы реального времени

· Система обеспечивает коммуникацию между процессами

Трудности реализации многозадачной среды[править | править исходный текст]

Основной трудностью реализации многозадачной среды является её надёжность, выраженная в защите памяти, обработке сбоев и прерываний, предохранении от зависаний и тупиковых ситуаций.

Кроме надёжности, многозадачная среда должна быть эффективной. Затраты ресурсов на её поддержание не должны: мешать процессам проходить, замедлять их работу, резко ограничивать память.

Многопото́чность - свойство платформы (например, операционной системы, виртуальной машины и т. д.) или приложения, состоящее в том, что процесс, порождённый в операционной системе, может состоять из нескольких потоков , выполняющихся «параллельно», то есть без предписанного порядка во времени. При выполнении некоторых задач такое разделение может достичь более эффективного использования ресурсов вычислительной машины.

Такие потоки называют также потоками выполнения (от англ. thread of execution ); иногда называют «нитями» (буквальный перевод англ. thread ) или неформально «тредами».

Сутью многопоточности является квазимногозадачность на уровне одного исполняемого процесса, то есть все потоки выполняются в адресном пространстве процесса. Кроме этого, все потоки процесса имеют не только общее адресное пространство, но и общиедескрипторы файлов. Выполняющийся процесс имеет как минимум один (главный) поток.

Многопоточность (как доктрину программирования) не следует путать ни с многозадачностью, ни с многопроцессорностью, несмотря на то, что операционные системы, реализующие многозадачность, как правило реализуют и многопоточность.

К достоинствам многопоточности в программировании можно отнести следующее:

· Упрощение программы в некоторых случаях за счет использования общего адресного пространства.

· Меньшие относительно процесса временны́е затраты на создание потока.

· Повышение производительности процесса за счет распараллеливания процессорных вычислений и операций ввода-вывода.

· 1 Типы реализации потоков

· 2 Взаимодействие потоков

· 3 Критика терминологии

· 6 Примечания

Типы реализации потоков[править | править исходный текст]

· Поток в пространстве пользователя. Каждый процесс имеет таблицу потоков, аналогичную таблице процессов ядра.

Достоинства и недостатки этого типа следующие: Недостатки

1. Отсутствие прерывания по таймеру внутри одного процесса

2. При использовании блокирующего системного запроса для процесса все его потоки блокируются.

3. Сложность реализации

· Поток в пространстве ядра. Наряду с таблицей процессов в пространстве ядра имеется таблица потоков.

· «Волокна» (англ. fibers ). Несколько потоков режима пользователя, исполняющихся в одном потоке режима ядра. Поток пространства ядра потребляет заметные ресурсы, в первую очередь физическую память и диапазон адресов режима ядра для стека режима ядра. Поэтому было введено понятие «волокна» - облегчённого потока, выполняемого исключительно в режиме пользователя. У каждого потока может быть несколько «волокон».

Взаимодействие потоков[править | править исходный текст]

В многопоточной среде часто возникают проблемы, связанные с использованием параллельно исполняемыми потоками одних и тех же данных или устройств. Для решения подобных проблем используются такие методы взаимодействия потоков, как взаимоисключения (мьютексы), семафоры, критические секции и события

· Взаимоисключения (mutex, мьютекс) - это объект синхронизации, который устанавливается в особое сигнальное состояние, когда не занят каким-либо потоком. Только один поток владеет этим объектом в любой момент времени, отсюда и название таких объектов (от английского mut ually ex clusive access - взаимно исключающий доступ) - одновременный доступ к общему ресурсу исключается. После всех необходимых действий мьютекс освобождается, предоставляя другим потокам доступ к общему ресурсу. Объект может поддерживать рекурсивный захват второй раз тем же потоком, увеличивая счетчик, не блокируя поток, и требуя потом многократного освобождения. Такова, например, критическая секция в Win32. Тем не менее есть и такие реализации, которые не поддерживают такое и приводят к взаимной блокировке потока при попытке рекурсивного захвата. Это FAST_MUTEX в ядре Windows.

· Семафоры представляют собой доступные ресурсы, которые могут быть приобретены несколькими потоками в одно и то же время, пока пул ресурсов не опустеет. Тогда дополнительные потоки должны ждать, пока требуемое количество ресурсов не будет снова доступно. Семафоры очень эффективны, поскольку они позволяют одновременный доступ к ресурсам. Семафор есть логическое расширение мьютекса - семафор со счетчиком 1 эквивалентен мьютексу, но счетчик может быть и более 1.

· События. Объект, хранящий в себе 1 бит информации «просигнализирован или нет», над которым определены операции «просигнализировать», «сбросить в непросигнализированное состояние» и «ожидать». Ожидание на просигнализированном событии есть отсутствие операции с немедленным продолжением исполнения потока. Ожидание на непросигнализированном событии приводит к приостановке исполнения потока до тех пор, пока другой поток (или же вторая фаза обработчика прерывания в ядре ОС) не просигнализирует событие. Возможно ожидание нескольких событий в режимах «любого» или «всех». Возможно также создания события, автоматически сбрасываемого в непросигнализированное состояние после пробуждения первого же - и единственного - ожидающего потока (такой объект используется как основа для реализации объекта «критическая секция»). Активно используются в MS Windows, как в режиме пользователя, так и в режиме ядра. Аналогичный объект имеется и в ядре Linux под названием kwait_queue.

· Критические секции обеспечивают синхронизацию подобно мьютексам за исключением того, что объекты, представляющие критические секции, доступны в пределах одного процесса. События, мьютексы и семафоры также можно использовать в однопроцессном приложении, однако реализации критических секций в некоторых ОС (например, Windows NT) обеспечивают более быстрый и более эффективный механизм взаимно-исключающей синхронизации - операции «получить» и «освободить» на критической секции оптимизированы для случая единственного потока (отсутствия конкуренции) с целью избежать любых ведущих в ядро ОС системных вызовов. Подобно мьютексам объект, представляющий критическую секцию, может использоваться только одним потоком в данный момент времени, что делает их крайне полезными при разграничении доступа к общим ресурсам.

· Условные переменные (condvars). Сходны с событиями, но не являются объектами, занимающими память - используется только адрес переменной, понятие «содержимое переменной» не существует, в качестве условной переменной может использоваться адрес произвольного объекта. В отличие от событий, установка условной переменной в просигнализированное состояние не влечет за собой никаких последствий в случае, если на данный момент нет потоков, ожидающих на переменной. Установка события в аналогичном случае влечет за собой запоминание состояния «просигнализировано» внутри самого события, после чего следующие потоки, желающие ожидать события, продолжают исполнение немедленно без остановки. Для полноценного использования такого объекта необходима также операция «освободить mutex и ожидать условную переменную атомарно». Активно используются в UNIX-подобных ОС. Дискуссии о преимуществах и недостатках событий и условных переменных являются заметной частью дискуссий о преимуществах и недостатках Windows и UNIX.

· Порт завершения ввода-вывода (IO completion port, IOCP). Реализованный в ядре ОС и доступный через системные вызовы объект «очередь» с операциями «поместить структуру в хвост очереди» и «взять следующую структуру с головы очереди» - последний вызов приостанавливает исполнение потока в случае, если очередь пуста, и до тех пор, пока другой поток не осуществит вызов «поместить». Самой важной особенностью IOCP является то, что структуры в него могут помещаться не только явным системным вызовом из режима пользователя, но и неявно внутри ядра ОС как результат завершения асинхронной операции ввода-вывода на одном из дескрипторов файлов. Для достижения такого эффекта необходимо использовать системный вызов «связать дескриптор файла с IOCP». В этом случае помещенная в очередь структура содержит в себе код ошибки операции ввода-вывода, а также, для случая успеха этой операции - число реально введенных или выведенных байт. Реализация порта завершения также ограничивает число потоков, исполняющихся на одном процессоре/ядре после получения структуры из очереди. Объект специфичен для MS Windows, и позволяет обработку входящих запросов соединения и порций данных в серверном программном обеспечении в архитектуре, где число потоков может быть меньше числа клиентов (нет требования создавать отдельный поток с расходами ресурсов на него для каждого нового клиента).

· ERESOURCE. Мьютекс, поддерживающий рекурсивный захват, с семантикой разделяемого или эксклюзивного захвата. Семантика: объект может быть либо свободен, либо захвачен произвольным числом потоков разделяемым образом, либо захвачен всего одним потоком эксклюзивным образом. Любые попытки осуществить захваты, нарушающее это правило, приводят к блокировке потока до тех пор, пока объект не освободится так, чтобы сделать захват разрешенным. Также есть операции вида TryToAcquire - никогда не блокирует поток, либо захватывает, либо (если нужна блокировка) возвращает FALSE, ничего не делая. Используется в ядре Windows, особенно в файловых системах - так, например, любому кем-то открытому дисковому файлу соответствует структура FCB, в которой есть 2 таких объекта для синхронизации доступа к размеру файла. Один из них - paging IO resource - захватывается эксклюзивно только в пути обрезания файла, и гарантирует, что в момент обрезания на файле нет активного ввода-вывода от кэша и от отображения в память.

· Rundown protection. Полудокументированный (вызовы присутствуют в файлах-заголовках, но отсутствуют в документации) объект в ядре Windows. Счетчик с операциями «увеличить», «уменьшить» и «ждать». Ожидание блокирует поток до тех пор, пока операции уменьшения не уменьшат счетчик до нуля. Кроме того, операция увеличения может отказать, и наличие активного в данный момент времени ожидания заставляет отказывать все операции увеличения.

Андрей Колесов

Приступая к рассмотрению принципов создания многопоточных приложений для среды Microsoft .NET Framework, сразу оговоримся: хотя все примеры приведены на Visual Basic .NET, методика создания таких программ в целом одинакова для всех языков программирования, поддерживающих.NET, в том числе для C#. VB выбран для демонстрации технологии создания многопоточных приложений в первую очередь потому, что предыдущие версии этого инструмента такой возможности не предоставляли.

Осторожно: Visual Basic .NET тоже может делать ЭТО!

Как известно, Visual Basic (до версии 6.0 включительно) никогда ранее не позволял создавать многопоточные программные компоненты (EXE, ActiveX DLL и OCX). Тут нужно вспомнить, что архитектура COM включает три разные потоковые модели: однопоточную (Single Thread), совместную (Single Threaded Apartment, STA) и свободную (Multi-Threaded Apartment). VB 6.0 позволяет создавать программы первых двух типов. Вариант STA предусматривает псевдомногопоточный режим - несколько потоков действительно работают параллельно, но при этом программный код каждого из них защищен от доступа к нему извне (в частности, потоки не могут использовать общие ресурсы).

Visual Basic .NET теперь может реализовать свободную многопоточность в ее настоящем (native) варианте. Точнее сказать, в.NET такой режим поддерживается на уровне общих библиотек классов Class Library и среды исполнения Common Language Runtime. В результате VB.NET наравне с другими языками программирования.NET получил доступ к этим возможностям.

В свое время сообщество VB-разработчиков, выражая недовольство многими будущими новшествами этого языка, с большим одобрением отнеслось к известию о том, что с помощью новой версии инструмента можно будет создавать многопоточные программы (см. "В ожидании Visual Studio .NET", "BYTE/Россия" № 1/2001). Однако многие эксперты высказывали более сдержанные оценки по поводу этого новшества. Вот, например, мнение Дана Эпплмана (Dan Appleman), известного разработчика и автора многочисленных книг для VB-программистов: "Многопоточность в VB.NET страшит меня больше, чем все остальные новшества, причем, как и во многих новых технологиях.NET, это объясняется скорее человеческими, нежели технологическими факторами... Я боюсь многопоточности в VB.NET, потому что VB-программисты обычно не обладают опытом проектирования и отладки многопоточных приложений" .

Действительно, как и прочие средства низкоуровневого программирования (например, те же интерфейсы Win API), свободная многопоточность, с одной стороны, предоставляет более широкие возможности для создания высокопроизводительных масштабируемых решений, а с другой - предъявляет более высокие требования к квалификации разработчиков. Причем проблема тут усугубляется тем, что поиск ошибок в многопоточном приложении весьма сложен, так как они проявляются чаще всего случайным образом, в результате специфического пересечения параллельных вычислительных процессов (воспроизвести еще раз такую ситуацию зачастую бывает просто невозможно). Именно поэтому методы традиционной отладки программ в виде их повторного прогона в данном случае обычно не помогают. И единственный путь к безопасному применению многопоточности - это качественное проектирование приложения с соблюдением всех классических принципов "правильного программирования".

Проблема же с VB-программистами заключается еще и в том, что хотя многие из них - достаточно опытные профессионалы и отлично знают о подводных камнях многопоточности, использование VB6 могло притупить их бдительность. Ведь, обвиняя VB в ограниченности, мы порой забываем, что многие ограничения определялись улучшенными средствами безопасности этого инструмента, которые предупреждают или исключают ошибки разработчика. Например, VB6 автоматически создает отдельную копию всех глобальных переменных для каждого потока, предупреждая таким образом возможные конфликты между ними. В VB.NET подобные проблемы полностью перекладываются на плечи программиста. При этом следует также помнить, что применение многопоточной модели вместо однопоточной далеко не всегда приводит к повышению производительности программы, производительность может даже снизиться (даже в многопроцессорных системах!).

Однако все сказанное выше не нужно рассматривать как совет не связываться с многопоточностью. Просто нужно хорошо представлять, когда такие режимы стоит применять, и понимать, что более мощное средство разработки всегда предъявляет более высокие требования к квалификации программиста.

Параллельная обработка в VB6

Конечно, организовать псевдопараллельную обработку данных можно было и с помощью VB6, но возможности эти были весьма ограниченными. Например, мне несколько лет назад понадобилось написать процедуру, которая приостанавливает выполнение программы на указанное число секунд (соответствующий оператор SLEEP в готовом виде присутствовал в Microsoft Basic/DOS). Ее нетрудно реализовать самостоятельно в виде следующей простой подпрограммы:

В ее работоспособности можно легко убедиться, например, с помощью такого кода обработки щелчка кнопки на форме:

Чтобы решить эту проблему в VB6, внутри цикла Do...Loop процедуры SleepVB нужно снять комментарий с обращения к функции DoEvents, которая передает управление операционной системе и возвращает число открытых форм в данном VB-приложении. Но обратите внимание, что вывод окна с сообщением "Еще один привет!", в свою очередь, блокирует выполнение всего приложения, в том числе и процедуры SleepVB.

Используя глобальные переменные в качестве флагов, можно обеспечить также аварийное завершение запущенной процедуры SleepVB. Она, в свою очередь, представляет собой простейший пример вычислительного процесса, полностью занимающего ресурсы процессора. Но если вы будете совершать какие-то полезные вычисления (а не крутиться в пустом цикле), то нужно иметь в виду, что обращение к функции DoEvent занимает довольно много времени, поэтому это нужно делать через достаточно большие интервалы времени.

Чтобы увидеть ограниченность поддержки параллельных вычислений в VB6, замените обращение к функции DoEvents на вывод метки:

Label1.Caption = Timer

В этом случае не только не будет срабатывать кнопка Command2, но даже в течение 5 с не будет изменяться содержание метки.

Для проведения еще одного эксперимента добавьте вызов ожидания в код для Command2 (это можно сделать, так как процедура SleepVB реентерабельна):

Далее запустите приложение и щелкните Command1, а спустя 2-3 с - Command2. Первым появится сообщение "Еще один привет"!, хотя соответствующий процесс был запущен позднее. Причина этого в том, что функция DoEvents проверяет только события визуальных элементов, но не наличие других вычислительных потоков. Более того, VB-приложение фактически работает в одном потоке, поэтому управление вернулось в событийную процедуру, которая была запущена последней.

Управление потоками в.NET

Построение многопоточных.NET-приложений основывается на использовании группы базовых классов.NET Framework, описываемых пространством имен System.Threading. При этом ключевая роль принадлежит классу Thread, с помощью которого выполняются практически все операции по управлению потоками. С этого места все сказанное о работе с потоками относится ко всем средствам программирования в.NET, в том числе к C#.

Для первого знакомства с созданием параллельных потоков создадим Windows-приложение с формой, на которой разместим кнопки ButtonStart и ButtonAbort и напишем следующий код:

Сразу же хотелось бы обратить внимание на три момента. Во-первых, ключевые слова Imports используются для обращения к сокращенным именам классов, описанных здесь пространством имен. Я специально привел еще один вариант применения Imports для описания сокращенного эквивалента длинного названия пространства имен (VB = Microsoft.VisualBasic), который можно применить к тексту программы. В этом случае сразу видно, к какому пространству имен относится объект Timer.

Во-вторых, я использовал логические скобки #Region, чтобы наглядно отделить код, написанный мной, от кода, формируемого дизайнером форм автоматически (последний здесь не приводится).

В-третьих, описания входных параметров событийных процедур специально убраны (так будет делаться иногда и далее), чтобы не отвлекаться на вещи, которые в данном случае не важны.

Запустите приложение и щелкните кнопку ButtonStart. Запустился процесс ожидания в цикле заданного интервала времени, причем в данном случае (в отличие от примера с VB6) - в независимом потоке. В этом легко убедиться - все визуальные элементы формы являются доступными. Например, нажав кнопку ButtonAbort, можно аварийно завершить процесс с помощью метода Abort (но закрытие формы с помощью системной кнопки Close не прервет выполнение процедуры!). Для наглядности динамики процесса вы можете разместить на форме метку, а в цикл ожидания процедуры SleepVBNET добавить вывод текущего времени:

Label1.Text = _ "Текущее время = " & VB.TimeOfDay

Выполнение процедуры SleepVBNET (которая в данном случае уже представляет собой метод нового объекта) будет продолжаться, даже если вы добавите в код ButtonStart вывод окна сообщения о начале вычислений после запуска потока (рис. 1).

Более сложный вариант - поток в виде класса

Для проведения дальнейших экспериментов с потоками создадим новое VB-приложение типа Console, состоящее из обычного модуля кода с процедурой Main (которая начинает выполняться при запуске приложения) и модуля класса WorkerThreadClass:

Запустим созданное приложение. Появится консольное окно, в котором будет видна бегущая строка символов, демонстрирующая модель запущенного вычислительного процесса (WorkerThread). Потом появится окно сообщения, выданного вызывающим процессом (Main), и в завершение мы увидим картинку, изображенную на рис. 2 (если вас не устраивает скорость выполнения моделируемого процесса, то уберите или добавьте какие-нибудь арифметические операции с переменной "а" в процедуре WorkerThread).

Обратите внимание: окно сообщения "Запущен первый поток" было выдано на экран с заметной задержкой, после старта процесса WorkerThread (в случае с формой, описанном в предыдущем пункте, такое сообщение появилось бы почти мгновенно после нажатия кнопки ButtonStart). Скорее всего, это происходит потому, что при работе с формой событийные процедуры имеют более высокий приоритет по сравнению с запускаемым процессом. В случае же консольного приложения все процедуры имеют одинаковый приоритет. Вопрос приоритетов мы обсудим позднее, а пока установим для вызывающего потока (Main) самый высокий приоритет:

Теперь окно появляется почти сразу. Как видим, создавать экземпляры объекта Thread можно двумя способами. Сначала мы применяли первый из них - создали новый объект (поток) Thread1 и работали с ним. Второй вариант - получить объект Thread для выполняемого в данный момент потока с помощью статического метода CurrentThread. Именно таким образом процедура Main сама для себя установила более высокий приоритет, но могла она это сделать и для любого другого потока, например:

Thread1.Priority = ThreadPriority.Lowest Thread1.Start()

Чтобы показать возможности управления запущенным процессом, добавим в конце процедуры Main такие строчки кода:

Теперь запустите приложение, одновременно выполняя некоторые операции с мышью (надеюсь, вы выбрали нужный уровень задержки в WorkerThread, чтобы процесс был не очень быстрым, но и не слишком медленным).

Сначала в консольном окне начнется "Процесс 1", и появится сообщение "Первый поток запущен". "Процесс 1" выполняется, а вы быстренько нажмите кнопку ОК в окне сообщения.

Далее - "Процесс 1" продолжается, но через две секунды появляется сообщение "Поток приостановлен". "Процесс 1" замер. Нажмите кнопку "ОК" в окне сообщения: "Процесс 1" продолжил свое выполнение и успешно завершил его.

В этом фрагменте мы использовали метод Sleep для приостановки текущего процесса. Заметьте: Sleep является статическим методом и может применяться только к текущему процессу, но не к какому-то экземпляру объекта Thread. Синтаксис языка позволяет написать Thread1.Sleep или Thread.Sleep, но все равно в этом случае используется объект CurrentThread.

Метод Sleep может также использовать аргумент 0. В этом случае текущий поток освободит неиспользованный остаток кванта выделенного для него времени.

Еще один интересный вариант использования Sleep - со значением Timeout.Infinite. В этом случае поток будет приостановлен на неопределенный срок, пока это состояние не будет прервано другим потоком с помощью метода Thread.Interrupt.

Чтобы приостановить внешний поток из другого потока без остановки последнего, нужно использовать вызов метода Thread.Suspend. Тогда продолжить его выполнение можно будет методом Thread.Resume, что мы и сделали в приведенном выше коде.

Немного о синхронизации потоков

Синхронизация потоков - это одна из главных задач при написании многопоточных приложений, и в пространстве System.Threading имеется большой набор средств для ее решения. Но сейчас мы познакомимся только с методом Thread.Join, который позволяет отлеживать окончание выполнение потока. Чтобы увидеть, как он работает, замените последние строки процедуры Main на такой код:

Управление приоритетами процессов

Распределение квантов времени процессора между потоками выполняется с помощью приоритетов, которые задаются в виде свойства Thread.Priority. Для потоков, создаваемых в период выполнения, можно устанавливать пять значений: Highest, AboveNormal, Normal (используется по умолчанию), BelowNormal и Lowest. Чтобы посмотреть, как влияют приоритеты на скорость выполнения потоков, напишем такой код для процедуры Main:

Обратите внимание, что здесь используется один класс для создания нескольких потоков. Запустим приложение и посмотрим на динамику выполнения двух потоков (рис. 3). Тут видно, что в целом они выполняются с одинаковой скоростью, первый немного впереди за счет более раннего запуска.

Теперь перед запуском первого потока установим для него приоритет на один уровень ниже:

Thread1.Priority = _ ThreadPriority.BelowNormal

Картина резко поменялась: второй поток практически полностью отнял все время у первого (рис. 4).

Отметим также использование метода Join. С его помощью мы выполняем довольно часто встречающийся вариант синхронизации потоков, при котором главная программа ждет завершения выполнения нескольких параллельных вычислительных процессов.

Заключение

Мы лишь затронули основы разработки многопоточных.NET-приложений. Один из наиболее сложных и на практике актуальных вопросов - это синхронизация потоков. Кроме применения описанного в этой статье объекта Thread (у него есть много методов и свойств, которые мы не рассматривали здесь), очень важную роль в управлении потоками играют классы Monitor и Mutex, а также операторы lock (C#) и SyncLock (VB.NET).

Более подробное описание этой технологии приведено в отдельных главах книг и , из которых мне хотелось бы привести несколько цитат (с которыми я полностью согласен) в качестве очень краткого подведения итогов по теме "Многопоточность в.NET".

"Если вы новичок, для вас может быть неожиданностью обнаружить, что издержки, связанные с созданием и диспетчеризацией потоков, могут привести к тому, что однопоточное приложение работает быстрее... Поэтому всегда старайтесь протестировать оба прототипа программы - однопоточный и многопоточный" .

"Вы должны тщательно подходить к проектированию многопоточности и жестко управлять доступом к общим объектам и переменным" .

"Не следует рассматривать применение многопоточности как подход по умолчанию" .

"Я спросил аудиторию, состоящую из опытных VB-программистов, хотя ли они получить свободную многопоточность будущей версии VB. Практически все подняли руки. Затем я спросил, кто знает, на что он идет при этом. На этот раз руки подняли всего несколько человек, и на их лицах были понимающие улыбки" .

"Если вас не устрашили трудности, связанные с проектированием многопоточных приложений, при правильном применении многопоточность способна значительно улучшить быстродействие приложения" .

От себя добавлю, что технология создания многопоточных.NET-приложений (как и многие другие технологии.NET) в целом практически не зависит от используемого языка. Поэтому я советую разработчикам изучать разные книги и статьи, независимо от того, какой язык программирования выбран в них для демонстрации той или иной технологии.

Литература:

1. Дан Эпплман. Переход на VB.NET: стратегии, концепции, код/Пер. с англ. - СПб.: "Питер", 2002, - 464 с.: ил.
2. Том Арчер. Основы C#. Новейшие технологии/Пер. с англ. - М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2001. - 448 с.: ил.

Э та статья не для матёрых укротителей Python’а, для которых распутать этот клубок змей - детская забава, а скорее поверхностный обзор многопоточных возможностей для недавно подсевших на питон.

К сожалению по теме многопоточности в Python не так уж много материала на русском языке, а питонеры, которые ничего не слышали, например, про GIL, мне стали попадаться с завидной регулярностью. В этой статье я постараюсь описать самые основные возможности многопоточного питона, расскажу что же такое GIL и как с ним (или без него) жить и многое другое.


Python - очаровательный язык программирования. В нем прекрасно сочетается множество парадигм программирования. Большинство задач, с которыми может встретиться программист, решаются здесь легко, элегантно и лаконично. Но для всех этих задач зачастую достаточно однопоточного решения, а однопоточные программы обычно предсказуемы и легко поддаются отладке. Чего не скажешь о многопоточных и многопроцессных программах.

Многопоточные приложения

В Python есть модуль threading , и в нем есть все, что нужно для многопоточного программирования: тут есть и различного вида локи, и семафор, и механизм событий. Один словом - все, что нужно для подавляющего большинства многопоточных программ. Причем пользоваться всем этим инструментарием достаточно просто. Рассмотрим пример программы, которая запускает 2 потока. Один поток пишет десять “0”, другой - десять “1”, причем строго по-очереди.

import threading

def writer

for i in xrange(10 ):

print x

Event_for_set.set()

# init events

e1 = threading.Event()

e2 = threading.Event()

# init threads

0 , e1, e2))

1 , e2, e1))

# start threads

t1.start()

t2.start()

t1.join()

t2.join()

Никакой магии и voodoo-кода. Код четкий и последовательный. Причем, как можно заметить, мы создали поток из функции. Для небольших задач это очень удобно. Этот код еще и достаточно гибкий. Допустим у нас появился 3-й процесс, который пишет “2”, тогда код будет выглядеть так:

import threading

def writer (x, event_for_wait, event_for_set):

for i in xrange(10 ):

Event_for_wait.wait() # wait for event

Event_for_wait.clear() # clean event for future

print x

Event_for_set.set() # set event for neighbor thread

# init events

e1 = threading.Event()

e2 = threading.Event()

e3 = threading.Event()

# init threads

t1 = threading.Thread(target=writer, args=(0 , e1, e2))

t2 = threading.Thread(target=writer, args=(1 , e2, e3))

t3 = threading.Thread(target=writer, args=(2 , e3, e1))

# start threads

t1.start()

t2.start()

t3.start()

e1.set() # initiate the first event

# join threads to the main thread

t1.join()

t2.join()

t3.join()

Мы добавили новое событие, новый поток и слегка изменили параметры, с которыми
стартуют потоки (можно конечно написать и более общее решение с использованием, например, MapReduce, но это уже выходит за рамки этой статьи).
Как видим по-прежнему никакой магии. Все просто и понятно. Поехали дальше.

Global Interpreter Lock

Существуют две самые распространенные причины использовать потоки: во-первых, для увеличения эффективности использования многоядерной архитектуры cоврменных процессоров, а значит, и производительности программы;
во-вторых, если нам нужно разделить логику работы программы на параллельные полностью или частично асинхронные секции (например, иметь возможность пинговать несколько серверов одновременно).

В первом случае мы сталкиваемся с таким ограничением Python (а точнее основной его реализации CPython), как Global Interpreter Lock (или сокращенно GIL). Концепция GIL заключается в том, что в каждый момент времени только один поток может исполняться процессором. Это сделано для того, чтобы между потоками не было борьбы за отдельные переменные. Исполняемый поток получает доступ по всему окружению. Такая особенность реализации потоков в Python значительно упрощает работу с потоками и дает определенную потокобезопасность (thread safety).

Но тут есть тонкий момент: может показаться, что многопоточное приложение будет работать ровно столько же времени, сколько и однопоточное, делающее то же самое, или за сумму времени исполнения каждого потока на CPU. Но тут нас поджидает один неприятный эффект. Рассмотрим программу:

with open("test1.txt" , "w" ) as fout:

for i in xrange(1000000 ):

print >> fout, 1

Эта программа просто пишет в файл миллион строк “1” и делает это за ~0.35 секунды на моем компьютере.

Рассмотрим другую программу:

from threading import Thread

def writer (filename, n):

with open(filename, "w" ) as fout:

for i in xrange(n):

print >> fout, 1

t1 = Thread(target=writer, args=("test2.txt" , 500000 ,))

t2 = Thread(target=writer, args=("test3.txt" , 500000 ,))

t1.start()

t2.start()

t1.join()

t2.join()

Эта программа создает 2 потока. В каждом потоке она пишет в отдельный файлик по пол миллиона строк “1”. По-сути объем работы такой же, как и у предыдущей программы. А вот со временем работы тут получается интересный эффект. Программа может работать от 0.7 секунды до аж 7 секунд. Почему же так происходит?

Это происходит из-за того, что когда поток не нуждается в ресурсе CPU - он освобождает GIL, а в этот момент его может попытаться получить и он сам, и другой поток, и еще и главный поток. При этом операционная система, зная, что ядер много, может усугубить все попыткой распределить потоки между ядрами.

UPD: на данный момент в Python 3.2 существует улучшенная реализация GIL, в которой эта проблема частично решается, в частности, за счет того, что каждый поток после потери управления ждет небольшой промежуток времени до того, как сможет опять захватить GIL (на эту тему есть хорошая презентация на английском)

«Выходит на Python нельзя писать эффективные многопоточные программы?», - спросите вы. Нет, конечно, выход есть и даже несколько.

Многопроцессные приложения

Для того, чтобы в некотором смысле решить проблему, описанную в предыдущем параграфе, в Python есть модуль subprocess . Мы можем написать программу, которую хотим исполнять в параллельном потоке (на самом деле уже процессе). И запускать ее в одном или нескольких потоках в другой программе. Такой способ действительно ускорил бы работу нашей программы, потому, что потоки, созданные в запускающей программе GIL не забирают, а только ждут завершения запущенного процесса. Однако, в этом способе есть масса проблем. Основная проблема заключается в том, что передавать данные между процессами становится трудно. Пришлось бы как-то сериализовать объекты, налаживать связь через PIPE или друге инструменты, а ведь все это несет неизбежно накладные расходы и код становится сложным для понимания.

Здесь нам может помочь другой подход. В Python есть модуль multiprocessing . По функциональности этот модуль напоминает threading . Например, процессы можно создавать точно так же из обычных функций. Методы работы с процессами почти все те же самые, что и для потоков из модуля threading. А вот для синхронизации процессов и обмена данными принято использовать другие инструменты. Речь идет об очередях (Queue) и каналах (Pipe). Впрочем, аналоги локов, событий и семафоров, которые были в threading, здесь тоже есть.

Кроме того в модуле multiprocessing есть механизм работы с общей памятью. Для этого в модуле есть классы переменной (Value) и массива (Array), которые можно “обобщать” (share) между процессами. Для удобства работы с общими переменными можно использовать классы-менеджеры (Manager). Они более гибкие и удобные в обращении, однако более медленные. Нельзя не отметить приятную возможность делать общими типы из модуля ctypes с помощью модуля multiprocessing.sharedctypes.

Еще в модуле multiprocessing есть механизм создания пулов процессов. Этот механизм очень удобно использовать для реализации шаблона Master-Worker или для реализации параллельного Map (который в некотором смысле является частным случаем Master-Worker).

Из основных проблем работы с модулем multiprocessing стоит отметить относительную платформозависимость этого модуля. Поскольку в разных ОС работа с процессами организована по-разному, то на код накладываются некоторые ограничения. Например, в ОС Windows нет механизма fork, поэтому точку разделения процессов надо оборачивать в:

if __name__ == "__main__" :

Впрочем, эта конструкция и так является хорошим тоном.

Что еще...

Для написания параллельных приложений на Python существуют и другие библиотеки и подходы. Например, можно использовать Hadoop+Python или различные реализации MPI на Python (pyMPI, mpi4py). Можно даже использовать обертки существующих библиотек на С++ или Fortran. Здесь можно было упомянуть про такие фреймфорки/библиотеки, как Pyro, Twisted, Tornado и многие другие. Но это все уже выходит за пределы этой статьи.

Если мой стиль вам понравился, то в следующей статье постараюсь рассказать, как писать простые интерпретаторы на PLY и для чего их можно применять.

Глава №10.

Многопоточные приложения

Многозадачность в современных операционных системах воспринимается как нечто само собой разумеющееся [До появления Apple OS X на компьютерах Macintosh не было современных многозадачных операционных систем. Правильно спроектировать операционную систему с полноценной многозадачностью очень трудно, поэтому за основу OS X пришлось взять систему Unix. ]. Пользователь рассчитывает на то, что при одновременном запуске текстового редактора и почтового клиента эти программы не будут конфликтовать, а при приеме электронной почты редактор не перестанет работать. При одновременном запуске нескольких программ операционная система быстро переключается между программами, по очереди предоставляя им процессор (если, конечно, на компьютере не установлено несколько процессоров). В результате создается иллюзия одновременной работы нескольких программ, поскольку даже лучшая машинистка (и самое быстрое Интернет-соединение) не угонится за современным процессором.

Многопоточность (multithreading) в каком-то смысле можно рассматривать как следующий уровень многозадачности: вместо того, чтобы переключаться между разными программами, операционная система переключается между разными частями одной программы. Например, многопоточный почтовый клиент позволяет принимать новые сообщения электронной почты во время чтения или составления новых сообщений. В наше время многопоточность тоже воспринимается многими пользователями как должное.

В VB нормальной поддержки многопоточности не было никогда. Правда, в VB5 появилась одна из ее разновидностей - совместная потоковая модель (apartment threading). Как вы вскоре увидите, совместная модель предоставляет в распоряжение программиста часть преимуществ многопоточности, но не позволяет использовать все возможности в полной мере. Рано или поздно с учебной машины приходится пересаживаться на настоящую, и VB .NET стал первой версией VB с поддержкой свободной многопоточной модели.

Тем не менее многопоточность не принадлежит к числу возможностей, которые легко реализуются в языках программирования и легко осваиваются программистами. Почему?

Потому что в многопоточных приложениях могут возникать очень хитрые ошибки, которые непредсказуемо появляются и исчезают (а такие ошибки труднее всего отлаживать).

Честно предупреждаем: многопоточность - одна из сложнейших областей программирования. Малейшая невнимательность приводит к появлению неуловимых ошибок, на исправление которых уходят астрономические суммы. По этой причине в настоящей главе приведено немало плохих примеров - мы намеренно написали их так, чтобы продемонстрировать характерные ошибки. В этом и состоит самый безопасный подход к изучению многопоточного программирования: вы должны уметь разглядеть потенциальные проблемы, когда на первый взгляд все работает нормально, и знать пути их решения. Если вы хотите использовать приемы многопоточного программирования, без этого не обойтись.

В этой главе будет заложена надежная основа для дальнейшей самостоятельной работы, но описать многопоточное программирования во всех тонкостях мы не сможем - только печатная документация по классам пространства имен Threading занимает более 100 страниц. Если вы захотите освоить многопоточное программирование на более высоком уровне, обращайтесь к специализированным книгам.

Но каким бы опасным ни было многопоточное программирование, при профессиональном решении некоторых задач оно незаменимо. Если ваши программы не будут использовать многопоточность там, где это уместно, пользователи сильно разочаруются и предпочтут другой продукт. Например, лишь в четвертой версии популярной почтовой программы Eudora появились многопоточные возможности, без которых невозможно себе представить ни одну современную программу для работы с электронной почтой. К тому времени, когда в Eudora появилась поддержка многопоточности, многие пользователи (в том числе и один из авторов этой книги) перешли на другие продукты.

Наконец, в.NET однопоточных программ просто не бывает. Все программы.NET являются многопоточными, поскольку сборщик мусора выполняется как низкоприоритетный фоновый процесс. Как показано ниже, при серьезном графическом программировании в.NET правильное взаимодействие программных потоков помогает предотвратить блокировку графического интерфейса при выполнении программой продолжительных операций.

Знакомство с многопоточностью

Каждая программа работает в определенном контексте, описывающем распределение кода и данных в памяти. При сохранении контекста фактически сохраняется состояние программного потока, что позволяет в будущем восстановить его и продолжить выполнение программы.

Сохранение контекста сопряжено с определенными затратами времени и памяти. Операционная система запоминает состояние программного потока и передает управление другому потоку. Когда программа захочет продолжить выполнение приостановленного потока, сохраненный контекст приходится восстанавливать, на что уходит еще больше времени. Следовательно, многопоточность следует использовать лишь в тех случаях, когда преимущества компенсируют все затраты. Ниже перечислены некоторые типичные примеры.

• Функциональность программы четко и естественно делится на несколько разнородных операций, как в примере с приемом электронной почты и подготовкой новых сообщений.
  
• Программа выполняет долгие и сложные вычисления, и вы не хотите, чтобы на время вычислений блокировался графический интерфейс.
  
• Программа работает на многопроцессорном компьютере с операционной системой, поддерживающей использование нескольких процессоров (пока количество активных потоков не превышает количества процессоров, параллельное выполнение обходится практически без затрат, связанных с переключением потоков).
  

Прежде чем переходить к механике работы многопоточных программ, необходимо указать на одно обстоятельство, часто вызывающее недоразумения у новичков в области многопоточного программирования.

В программном потоке выполнятся процедура, а не объект.

Трудно сказать, что следует понимать под выражением «выполняется объект», но один из авторов часто ведет семинары по многопоточному программированию и этот вопрос задают чаще других. Возможно, кто-то полагает, что работа программного потока начинается с вызова метода New класса, после чего поток обрабатывает все сообщения, передаваемые соответствующему объекту. Такие представления абсолютно неверны. Один объект может содержать несколько потоков, выполняющих разные (а иногда даже одинаковые) методы, при этом сообщения объекта передаются и принимаются несколькими разными потоками (кстати, это одна из причин, затрудняющих многопоточное программирование: чтобы отладить программу, необходимо узнать, какой поток в данный момент выполняет ту или иную процедуру!).

Поскольку программные потоки создаются на базе методов объектов, сам объект обычно создается раньше потока. После успешного создания объекта программа создает поток, передавая ему адрес метода объекта, и только после этого отдает распоряжение о начале выполнения потока. Процедура, для которой создавался поток, как и все процедуры, может создавать новые объекты, выполнять операции с существующими объектами и вызывать другие процедуры и функции, находящиеся в ее области видимости.

В программных потоках также могут выполняться общие методы классов. В этом слу-Также помните о другом важном обстоятельстве: поток завершается с выходом из процедуры, для которой он был создан. До выхода из процедуры нормальное завершение программного потока невозможно.

Потоки могут завершаться не только естественно, но и аварийно. Обычно делать это не рекомендуется. За дополнительной информацией обращайтесь к разделу «Завершение и прерывание потоков».

Основные средства.NET, относящиеся к использованию программных потоков, сосредоточены в пространстве имен Threading. Следовательно, большинство многопоточных программ должно начинаться со следующей строки:

Imports System.Threading

Импортирование пространства имен упрощает ввод программы и позволяет использовать технологию IntelliSense.

Непосредственная связь потоков с процедурами наводит на предположение о том, что в этой картине важное место занимают делегаты (см. главу 6). В частности, в пространство имен Threading входит делегат ThreadStart, обычно используемый при запуске программных потоков. Синтаксис использования этого делегата выглядит так:

Public Delegate Sub ThreadStart()

Код, вызываемый при помощи делегата ThreadStart, не должен иметь параметров и возвращаемого значения, поэтому потоки не могут создаваться для функций (которые возвращают значение) и для процедур с параметрами. Для передачи информации из потока тоже приходится искать альтернативные средства, поскольку выполняемые методы не возвращают значений и не могут использовать передачу по ссылке. Например, если процедура ThreadMethod находится в классе WilluseThread, то ThreadMethod может передавать информацию посредством изменения свойств экземпляров класса WillUseThread.

Домены приложений

Программные потоки.NET работают в так называемых доменах приложений, определяемых в документации как «изолированная среда, в которой выполняется приложение». Домен приложения можно рассматривать как облегченный вариант процессов Win32; один процесс Win32 может содержать несколько доменов приложений. Главное отличие между доменами приложений и процессами заключается в том, что процесс Win32 обладает самостоятельным адресным пространством (в документации домены приложений также сравниваются с логическими процессами, работающими внутри физического процесса). В.NET все управление памятью осуществляется исполнительной средой, поэтому в одном процессе Win32 могут работать несколько доменов приложений. Одним из преимуществ этой схемы является улучшение возможностей масштабирования (scaling) приложений. Средства для работы с доменами приложений находятся в классе AppDomain. Рекомендуем изучить документацию по этому классу. С его помощью можно получить информацию об окружении, в котором работает ваша программа. В частности, класс AppDomain применяется при выполнении рефлексии для системных классов.NET. Следующая программа выводит список загруженных сборок.

Imports System.Reflection

Module Modulel

Sub Main()

Dim theDomain As AppDomain

theDomain = AppDomain.CurrentDomain

Dim Assemblies()As

Assemblies = theDomain.GetAssemblies

Dim anAssemblyxAs

For Each anAssembly In Assemblies

Console.WriteLinetanAssembly.Full Name) Next

Console.ReadLine()

End Sub

End Module

Создание потоков

Начнем с элементарного примера. Допустим, вы хотите запустить в отдельном потоке процедуру, которая в бесконечном цикле уменьшает значение счетчика. Процедура определяется в составе класса:

Public Class WillUseThreads

Public Sub SubtractFromCounter()

Dim count As Integer

Do While True count -= 1

Console.WriteLlne("Am in another thread and counter ="

& count)

Loop

End Sub

End Class

Поскольку условие цикла Do остается истинным всегда, можно подумать, что ничто не помешает выполнению процедуры SubtractFromCounter. Тем не менее в многопоточном приложении это не всегда так.

В следующем фрагменте приведена процедура Sub Main, запускающая поток, и команда Imports:

Option Strict On Imports System.Threading Module Modulel

Sub Main()

1 Dim myTest As New WillUseThreads()

2 Dim bThreadStart As New ThreadStart(AddressOf _

myTest.SubtractFromCounter)

3 Dim bThread As New Thread(bThreadStart)

4 " bThread.Start()

Dim i As Integer

5 Do While True

Console.WriteLine("In main thread and count is " & i) i += 1

Loop

End Sub

End Module

Давайте последовательно разберем наиболее принципиальные моменты. Прежде всего процедура Sub Man n всегда работает в главном потоке (main thread). В програм-мах.NET всегда работают минимум два потока: главный и поток сборки мусора. В строке 1 создается новый экземпляр тестового класса. В строке 2 мы создаем делегат ThreadStart и передаем адрес процедуры SubtractFromCounter экземпляра тестового класса, созданного в строке 1 (эта процедура вызывается без параметров). Благо даря импортированию пространства имен Threading длинное имя можно не указывать. Объект нового потока создается в строке 3. Обратите внимание на передачу делегата ThreadStart при вызове конструктора класса Thread. Некоторые программисты предпочитают объединять эти две строки в одну логическую строку:

Dim bThread As New Thread(New ThreadStarttAddressOf _

myTest.SubtractFromCounter))

Наконец, строка 4 «запускает» поток, для чего вызывается метод Start экземпляра класса Thread, созданного для делегата ThreadStart. Вызывая этот метод, мы указываем операционной системе, что процедура Subtract должна работать в отдельном потоке.

Слово «запускает» в предыдущем абзаце заключено в кавычки, поскольку в этом случае наблюдается одна из многих странностей многопоточного программирования: вызов Start не приводит к фактическому запуску потока! Он всего лишь сообщает, что операционная система должна запланировать выполнение указанного потока, но непосредственный запуск находится вне контроля программы. Вам не удастся начать выполнение потоков по своему усмотрению, потому что выполнением потоков всегда распоряжается операционная система. В одном из дальнейших разделов вы узнаете, как при помощи приоритета заставить операционную систему побыстрее запустить ваш поток.

На рис. 10.1 показан пример того, что может произойти после запуска программы и ее последующего прерывания клавишей Ctrl+Break. В нашем случае новый поток запустился лишь после того, как счетчик в главном потоке увеличился до 341!

Рис. 10.1. Простая многопоточная программно время работы

Если программа будет работать в течение большегошромежутка времени, результат будет выглядеть примерно так, как показано на рис. 10.2. Мы видим, что вы полнение запущенного потока приостанавливается и управление снова передается главному потоку. В данном случае имеет место проявление вытесняющей мно-гопоточности посредством квантования времени. Смысл этого устрашающего термина разъясняется ниже.

Рис. 10.2. Переключение между потоками в простой многопоточной программе

При прерывании потоков и передаче управления другим потокам операционная система использует принцип вытесняющей многопоточности посредством квантования времени. Квантование времени также решает одну из распространенных проблем, возникавших прежде в многопоточных программах, - один поток занимает все процессорное время и не уступает управления другим потокам (как правило, это случается в интенсивных циклах вроде приведенного выше). Чтобы предотвратить монопольный захват процессора, ваши потоки должны время от времени передавать управление другим потокам. Если программа окажется «несознательной», существует другое, чуть менее желательное решение: операционная система всегда вытесняет работающий поток независимо от уровня его приоритета, чтобы доступ к процессору был предоставлен каждому потоку в системе.

Поскольку в схемах квантования всех версий Windows, в которых работает.NET, каждо-му потоку выделяется минимальный квант времени, в программировании.NET проблемы с монопольным захватом процессора не столь серьезны. С другой стороны, если среда.NET когда-нибудь будет адаптирована для других систем, ситуация может измениться.

Если включить следующую строку в нашу программу перед вызовом Start, то даже потоки, обладающие минимальным приоритетом, получат некоторую долю процессорного времени:

bThread.Priority = ThreadPriority.Highest

Рис. 10.3. Поток с максимальным приоритетом обычно начинает работать быстрее

Рис. 10.4. Процессор предоставляется и потокам с более низким приоритетом

Команда назначает новому потоку максимальный приоритет и уменьшает приоритет главного потока. Из рис. 10.3 видно, что новый поток начинает работать быстрее, чем прежде, но, как показывает рис. 10.4, главный поток тоже получает управ ление (правда, очень ненадолго и лишь после продолжительной работы потока с вычитанием). При запуске программы на ваших компьютерах будут получены результаты, похожие на показанные на рис. 10.3 и 10.4, но из-за различий между нашими системами точного совпадения не будет.

В перечисляемый тип ThreadPrlority входят значения для пяти уровней приоритета:

ThreadPriority.Highest

ThreadPriority.AboveNormal

ThreadPrlority.Normal

ThreadPriority.BelowNormal

ThreadPriority.Lowest

Метод Join

Иногда программный поток требуется приостановить до момента завершения другого потока. Допустим, вы хотите приостановить поток 1 до тех пор, пока поток 2 не завершит свои вычисления. Для этого из потока 1 вызывается метод Join для потока 2. Иначе говоря, команда

thread2.Join()

приостанавливает текущий поток и ожидает завершения потока 2. Поток 1 переходит в заблокированное состояние.

Если присоединить поток 1 к потоку 2 методом Join, операционная система автоматически запустит поток 1 после завершения потока 2. Учтите, что процесс запуска является недетерминированным: нельзя точно сказать, через какой промежуток времени после завершения потока 2 заработает поток 1. Существует и другая версия Join, которая возвращает логическую величину:

thread2.Join(Integer)

Этот метод либо ожидает завершения потока 2, либо разблокирует поток 1 после истечения заданного интервала времени, вследствие чего планировщик операционной системы снова будет выделять потоку процессорное время. Метод возвращает True, если поток 2 завершается до истечения заданного интервала тайм-аута, и False в противном случае.

Не забывайте основное правило: независимо оттого, завершился ли поток 2 или про-изошел тайм-аут, вы не можете управлять моментом активизации потока 1.

Имена потоков, CurrentThread и ThreadState

Свойство Thread.CurrentThread возвращает ссылку на объект потока, выполняемого в настоящий момент.

Хотя для отладки многопоточных приложений в VB .NET существует замечательное окно потоков, о котором рассказано далее, нас очень часто выручала команда

MsgBox(Thread.CurrentThread.Name)

Нередко выяснялось, что код выполняется совсем не в том потоке, в котором ему полагалось выполняться.

Напомним, что термин «недетерминированное планирование программных потоков» означает очень простую вещь: в распоряжении программиста практически нет средств, позволяющих влиять на работу планировщика. По этой причине в программах часто используется свойство ThreadState, возвращающее информацию о текущем состоянии потока.

Окно потоков

Окно потоков (Threads window) Visual Studio .NET оказывает неоценимую помощь в отладке многопоточных программ. Оно активизируется командой подменю Debug > Windows в режиме прерывания. Допустим, вы назначили имя потоку bThread следующей командой:

bThread.Name = "Subtracting thread"

Примерный вид окна потоков после прерывания программы комбинацией клавиш Ctrl+Break (или другим способом) показан на рис. 10.5.

Рис. 10.5. Окно потоков

Стрелкой в первом столбце помечается активный поток, возвращаемый свойством Thread.CurrentThread. Столбец ID содержит числовые идентификаторы потоков. В следующем столбце перечислены имена потоков (если они были присвоены). Столбец Location указывает выполняемую процедуру (например, процедура WriteLine класса Console на рис. 10.5). Остальные столбцы содержат информацию о приоритете и приостановленных потоках (см. следующий раздел).

Окно потоков (а не операционная система!) позволяет управлять потоками вашей программы при помощи контекстных меню. Например, вы можете остановить текущий поток, для чего следует щелкнуть в соответствующей строке правой кнопкой мыши и выбрать команду Freeze (позже работу остановленного потока можно возобновить). Остановка потоков часто используемая при отладке, чтобы неправильно работающий поток не мешал работе приложения. Кроме того, окно потоков позволяет активизировать другой (не остановленный) поток; для этого следует щелкнуть правой кнопкой мыши в нужной строке и выбрать в контекстном меню команду Switch To Thread (или просто сделать двойной щелчок на строке потока). Как будет показано далee, это очень удобно при диагностике потенциальных взаимных блокировок (deadlocks).

Приостановка потока

Временно неиспользуемые потоки можно перевести в пассивное состояние методом Slеер. Пассивный поток также считается заблокированным. Разумеется, с переводом потока в пассивное состояние на долю остальных потоков достанется больше ресурсов процессора. Стандартный синтаксис метода Slеер выглядит следующим образом: Thread.Sleep(интервал_в_миллисекундах)

В результате вызова Sleep активный поток переходит в пассивное состояние как минимум на заданное количество миллисекунд (впрочем, активизация сразу же после истечения заданного интервала не гарантируется). Обратите внимание: при вызове метода ссылка на конкретный поток не передается - метод Sleep вызывается только для активного потока.

Другая версия Sleep заставляет текущий поток уступить оставшуюся часть выделенного процессорного времени:

Thread.Sleep(0)

Следующий вариант переводит текущий поток в пассивное состояние на неограниченное время (активизация происходит только при вызове Interrupt):

Thread.Slеер(Timeout.Infinite)

Поскольку пассивные потоки (даже при неограниченном времени ожидания) могут прерываться методом Interrupt, что приводит к инициированию исключения ThreadlnterruptExcepti on, вызов Slеер всегда заключается в блок Try-Catch, как в следующем фрагменте:

Try

Thread.Sleep(200)

" Пассивное состояние потока было прервано

Catch e As Exception

"Остальные исключения

End Try

Каждая программа.NET работает в программном потоке, поэтому метод Sleep также используется для приостановки работы программ (если пространство имен Threadipg не импортируется программой, приходится использовать полное имя Threading.Thread. Sleep).

Завершение или прерывание программных потоков

Поток автоматически завершается при выходе из метода, указанного при создании делегата ThreadStart, но иногда требуется завершить метод (следовательно, и поток) при возникновении определенных факторов. В таких случаях в потоках обычно проверяется условная переменная, в зависимости от состояния которой принимается решение об аварийном выходе из потока. Как правило, для этого в процедуру включается цикл Do-While:

Sub ThreadedMethod()

" В программе необходимо предусмотреть средства для опроса

" условной переменной.

" Например, условную переменную можно оформить в виде свойства

Do While conditionVariable = False And MoreWorkToDo

" Основной код

Loop End Sub

На опрос условной переменной уходит некоторое время. Постоянный опрос в условии цикла следует использовать лишь в том случае, если вы ожидаете преждевременного завершения потока.

Если проверка условной переменной должна происходить в строго определенном месте, воспользуйтесь командой If-Then в сочетании с Exit Sub внутри бесконечного цикла.

Доступ к условной переменной необходимо синхронизировать, чтобы воздействие со стороны других потоков не помешало ее нормальному использованию. Этой важной теме посвящен раздел «Решение проблемы: синхронизация».

К сожалению, код пассивных (или заблокированных иным образом) потоков не выполняется, поэтому вариант с опросом условной переменной для них не подходит. В этом случае следует вызвать метод Interrupt для объектной переменной, содержащей ссылку на нужный поток.

Метод Interrupt может вызываться только для потоков, находящихся в состоянии Wait, Sleep или Join. Если вызвать Interrupt для потока, находящегося в одном из перечисленных состояний, то через некоторое время поток снова начнет работать, а исполнительная среда инициирует в потоке исключение ThreadlnterruptedExcepti on. Это происходит даже в том случае, если поток был переведен в пассивное состояние на неопределенный срок вызовом Thread.Sleepdimeout. Infinite). Мы говорим «через некоторое время», поскольку планирование потоков имеет недетерминированную природу. Исключение ThreadlnterruptedExcepti on перехватывается секцией Catch, содержащей код выхода из состояния ожидания. Тем не менее секция Catch вовсе не обязана завершать поток по вызову Interrupt - поток обрабатывает исключение по своему усмотрению.

В.NET метод Interrupt может вызываться даже для незаблокированных потоков. В этом случае поток прерывается при ближайшей блокировке.

Приостановка и уничтожение потоков

Пространство имен Threading содержит и другие методы, прерывающие нормальное функционирование потоков:

• Suspend;
  
• Abort.
  

Трудно сказать, зачем в.NET была включена поддержка этих методов - при вызове Suspend и Abort программа, скорее всего, начнет работать нестабильно. Ни один из методов не позволяет нормально провести деинициализацию потока. Кроме того, при вызове Suspend или Abort невозможно предсказать, в каком состоянии поток оставит объекты после приостановки или аварийного завершения.

В результате вызова Abort инициируется исключение ThreadAbortException. Чтобы вы поняли, почему это странное исключение не следует обрабатывать в программах, мы приводим отрывок из документации.NET SDK:

«...При уничтожении потока вызовом Abort исполнительная среда инициирует исключение ThreadAbortException. Это особая разновидность исключений, которая не может перехватываться программой. При инициировании этого исключения перед тем, как уничтожить поток, исполнительная среда выполняет все блоки Finally. Поскольку в блоках Finally могут выполняться любые действия, вызовите Join, чтобы убедиться в уничтожении потока».

Мораль: Abort и Suspend использовать не рекомендуется (а если без Suspend все же не обойтись, возобновите приостановленный поток методом Resume). Безопасно завершить поток можно только путем опроса синхронизируемой условной переменной или вызовом метода Interrupt, о котором говорилось выше.

Фоновые потоки (демоны)

Некоторые потоки, работающие в фоновом режиме, автоматически прекращают работу в тот момент, когда останавливаются другие компоненты программы. В частности, сборщик мусора работает в одном из фоновых потоков. Обычно фоновые потоки создаются для приема данных, но это делается лишь в том случае, если в других потоках работает код, способный обработать полученные данные. Синтаксис: имя потока.IsBackGround = True

Если в приложении остались только фоновые потоки, приложение автоматически завершается.

Более серьезный пример: извлечение данных из кода HTML

Мы рекомендуем использовать потоки лишь в том случае, когда функциональность программы четко делится на несколько операций. Хорошим примером является программа извлечения данных из кода HTML из главы 9. Наш класс выполняет две операции: выборку данных с сайта Amazon и их обработку. Перед нами идеальный пример ситуации, в которой многопоточное программирование действительно уместно. Мы создаем классы для нескольких разных книг и затем анализируем данные в разных потоках. Создание нового потока для каждой книги повышает эффективность программы, поскольку во время приема данных одним потоком (что может потребовать ожидания на сервере Amazon) другой поток будет занят обработкой уже полученных данных.

Многопоточный вариант этой программы работает эффективнее однопоточного варианта лишь на компьютере с несколькими процессорами или в том случае, если прием дополнительных данных удается эффективно совместить с их анализом.

Как говорилось выше, в потоках могут запускаться только процедуры, не имеющие параметров, поэтому в программу придется внести небольшие изменения. Ниже приведена основная процедура, переписанная с исключением параметров:

Public Sub FindRank()

m_Rank = ScrapeAmazon()

Console.WriteLine("the rank of " & m_Name & "Is " & GetRank)

End Sub

Поскольку нам не удастся воспользоваться комбинированным полем для хранения и выборки информации (написание многопоточных программ с графическим интерфейсом рассматривается в последнем разделе настоящей главы), программа сохраняет данные четырех книг в массиве, определение которого начинается так:

Dim theBook(3.1) As String theBook(0.0) = "1893115992"

theBook(0.l) = "Programming VB .NET" " И т.д.

Четыре потока создаются в том же цикле, в котором создаются объекты AmazonRanker:

For i= 0 То 3

Try

theRanker = New AmazonRanker(theBook(i.0). theBookd.1))

aThreadStart = New ThreadStar(AddressOf theRanker.FindRan()

aThread = New Thread(aThreadStart)

aThread.Name = theBook(i.l)

aThread.Start() Catch e As Exception

Console.WriteLine(e.Message)

End Try

Next

Ниже приведен полный текст программы:

Option Strict On Imports System.IO Imports System.Net

Imports System.Threading

Module Modulel

Sub Main()

Dim theBook(3.1) As String

theBook(0.0) = "1893115992"

theBook(0.l) = "Programming VB .NET"

theBook(l.0) = "1893115291"

theBook(l.l) = "Database Programming VB .NET"

theBook(2,0) = "1893115623"

theBook(2.1) = "Programmer "s Introduction to C#."

theBook(3.0) = "1893115593"

theBook(3.1) = "Gland the .Net Platform "

Dim i As Integer

Dim theRanker As =AmazonRanker

Dim aThreadStart As Threading.ThreadStart

Dim aThread As Threading.Thread

For i = 0 To 3

Try

theRanker = New AmazonRankerttheBook(i.0). theBook(i.1))

aThreadStart = New ThreadStart(AddressOf theRanker. FindRank)

aThread = New Thread(aThreadStart)

aThread.Name= theBook(i.l)

aThread.Start()

Catch e As Exception

Console.WriteLlnete.Message)

End Try Next

Console.ReadLine()

End Sub

End Module

Public Class AmazonRanker

Private m_URL As String

Private m_Rank As Integer

Private m_Name As String

Public Sub New(ByVal ISBN As String. ByVal theName As String)

m_URL = "http://www.amazon.com/exec/obidos/ASIN/" & ISBN

m_Name = theName End Sub

Public Sub FindRank() m_Rank = ScrapeAmazon()

Console.Writeline("the rank of " & m_Name & "is "

& GetRank) End Sub

Public Readonly Property GetRank() As String Get

If m_Rank <> 0 Then

Return CStr(m_Rank) Else

" Проблемы

End If

End Get

End Property

Public Readonly Property GetName() As String Get

Return m_Name

End Get

End Property

Private Function ScrapeAmazon() As Integer Try

Dim theURL As New Uri(m_URL)

Dim theRequest As WebRequest

theRequest =WebRequest.Create(theURL)

Dim theResponse As WebResponse

theResponse = theRequest.GetResponse

Dim aReader As New StreamReader(theResponse.GetResponseStream())

Dim theData As String

theData = aReader.ReadToEnd

Return Analyze(theData)

Catch E As Exception

Console.WriteLine(E.Message)

Console.WriteLine(E.StackTrace)

Console. ReadLine()

End Try End Function

Private Function Analyze(ByVal theData As String) As Integer

Dim Location As.Integer Location = theData.IndexOf("Amazon.com

Sales Rank:") _

+ "Amazon.com Sales Rank:".Length

Dim temp As String

Do Until theData.Substring(Location.l) = "<" temp = temp

&theData.Substring(Location.l) Location += 1 Loop

Return Clnt(temp)

End Function

End Class

Многопоточные операции часто используются в.NET и пространствах имен ввода-вы-вода, поэтому в библиотеке.NET Framework для них предусмотрены специальные асинхронные методы. Дополнительная информация о применении асинхронных методов при написании многопоточных программ приведена в описании методов BeginGetResponse и EndGetResponse класса HTTPWebRequest

Главная опасность (общие данные)

До настоящего момента рассматривался единственный безопасный случай использования потоков - наши потоки не изменяли общих данных. Если разрешить изменение общих данных, потенциальные ошибки начинают плодиться в геометрической прогрессии и избавить от них программу становится гораздо труднее. С другой стороны, если запретить модификацию общих данных разными потоками, многопоточное программирование.NET практически не будет отличаться от ограниченных возможностей VB6.

Вашему вниманию предлагается небольшая программа, которая демонстрирует возникающие проблемы, не углубляясь в излишние подробности. В этой программе моделируется дом, в каждой комнате которого установлен термостат. Если температура на 5 и более градусов по Фаренгейту (около 2,77 градусов по Цельсию) меньше положенной, мы приказываем системе отопления повысить температуру на 5 градусов; в противном случае температура повышается только на 1 градус. Если текущая температура больше либо равна заданной, изменение не производится. Регулировка температуры в каждой комнате осуществляется отдельным потоком с 200-миллисекундной задержкой. Основная работа выполняется следующим фрагментом:

If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP = 5 Then Try

Thread.Sleep(200)

Catch tie As ThreadlnterruptedException

" Пассивное ожидание было прервано

Catch e As Exception

" Другие исключения End Try

mHouse.HouseTemp +- 5 " И т.д.

Ниже приведен полный исходный текст программы. Результат показан на рис. 10.6: температура в доме достигла 105 градусов по Фаренгейту (40,5 градуса по Цельсию)!

1 Option Strict On

2 Imports System.Threading

3 Module Modulel

4 Sub Main()

5 Dim myHouse As New House(l0)

6 Console. ReadLine()

7 End Sub

8 End Module

9 Public Class House

10 Public Const MAX_TEMP As Integer = 75

11 Private mCurTemp As Integer = 55

12 Private mRooms() As Room

13 Public Sub New(ByVal numOfRooms As Integer)

14 ReDim mRooms(numOfRooms = 1)

15 Dim i As Integer

16 Dim aThreadStart As Threading.ThreadStart

17 Dim aThread As Thread

18 For i = 0 To numOfRooms -1

19 Try

20 mRooms(i)=NewRoom(Me, mCurTemp,CStr(i) &"throom")

21 aThreadStart - New ThreadStart(AddressOf _

mRooms(i).CheckTempInRoom)

22 aThread =New Thread(aThreadStart)

23 aThread.Start()

24 Catch E As Exception

25 Console.WriteLine(E.StackTrace)

26 End Try

27 Next

28 End Sub

29 Public Property HouseTemp()As Integer

30 . Get

31 Return mCurTemp

32 End Get

33 Set(ByVal Value As Integer)

34 mCurTemp = Value 35 End Set

36 End Property

37 End Class

38 Public Class Room

39 Private mCurTemp As Integer

40 Private mName As String

41 Private mHouse As House

42 Public Sub New(ByVal theHouse As House,

ByVal temp As Integer, ByVal roomName As String)

43 mHouse = theHouse

44 mCurTemp = temp

45 mName = roomName

46 End Sub

47 Public Sub CheckTempInRoom()

48 ChangeTemperature()

49 End Sub

50 Private Sub ChangeTemperature()

51 Try

52 If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP - 5 Then

53 Thread.Sleep(200)

54 mHouse.HouseTemp +- 5

55 Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _

56 ".Current temperature is "&mHouse.HouseTemp)

57 . Elself mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP Then

58 Thread.Sleep(200)

59 mHouse.HouseTemp += 1

60 Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _

61 ".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)

62 Else

63 Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _

64 ".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)

65 " Ничего не делать, температура нормальная

66 End If

67 Catch tae As ThreadlnterruptedException

68 " Пассивное ожидание было прервано

69 Catch e As Exception

70 " Другие исключения

71 End Try

72 End Sub

73 End Class

Рис. 10.6. Проблемы многопоточности

В процедуре Sub Main (строки 4-7) создается «дом» с десятью «комнатами». Класс House устанавливает максимальную температуру 75 градусов по Фаренгейту (около 24 градусов по Цельсию). В строках 13-28 определяется довольно сложный конструктор дома. Ключевыми для понимания программы являются строки 18-27. Строка 20 создает очередной объект комнаты, при этом конструктору передается ссылка на объект дома, чтобы объект комнаты при необходимости мог к нему обратиться. Строки 21-23 запускают десять потоков для регулировки температуры в каждой комнате. Класс Room определяется в строках 38-73. Ссылка на объект House coxpa няется в переменной mHouse в конструкторе класса Room (строка 43). Код проверки и регулировки температуры (строки 50-66) выглядит просто и естественно, но как вы вскоре убедитесь, это впечатление обманчиво! Обратите внимание на то, что этот код заключен в блок Try-Catch, поскольку в программе используется метод Sleep.

Вряд ли кто-нибудь согласится жить при температуре в 105 градусов по Фаренгейту (40,5 24 градусов по Цельсию). Что же произошло? Проблема связана со следующей строкой:

If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP - 5 Then

А происходит следующее: сначала температуру проверяет поток 1. Он видит, что температура слишком низка, и поднимает ее на 5 градусов. К сожалению, перед повышением температуры поток 1 прерывается и управление передаётся поток 2. Поток 2 проверяет ту же самую переменную, которая еще не была изменена потоком 1. Таким образом, поток 2 тоже готовится поднять температуру на 5 градусов, но сделать этого не успевает и тоже переходит в состояние ожидания. Процесс продолжается до тех пор, пока поток 1 не активизируется и не перейдет к следующей команде - повышению температуры на 5 градусов. Повышение повторяется при активизации всех 10 потоков, и жильцам дома придется плохо.

Решение проблемы: синхронизация

В предыдущей программе возникает ситуация, когда результат работы программы зависит от порядка выполнения потоков. Чтобы избавиться от нее, необходимо убедиться в том, что команды типа

If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAX_TEMP - 5 Then...

полностью отрабатываются активным потоком до того, как он будет прерван. Это свойство называется атомарностыд - блок кода должен выполняться каждым потоком без прерывания, как атомарная единица. Группа команд, объединенных в атомарный блок, не может быть прервана планировщиком потоков до ее завершения. В любом многопоточном языке программирования существуют свои способы обеспечения атомарности. В VB .NET проще всего воспользоваться командой SyncLock, при вызове которой передается объектная переменная. Внесите в процедуру ChangeTemperature из предыдущего примера небольшие изменения, и программа заработает нормально:

Private Sub ChangeTemperature() SyncLock (mHouse)

Try

If mHouse.HouseTemp < mHouse.MAXJTEMP -5 Then

Thread.Sleep(200)

mHouse.HouseTemp += 5

Console.WriteLine("Am in " & Me.mName & _

".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)

Elself

mHouse.HouseTemp < mHouse. MAX_TEMP Then

Thread.Sleep(200) mHouse.HouseTemp += 1

Console.WriteLine("Am in " & Me.mName &_ ".Current temperature is " & mHouse.HomeTemp) Else

Console.WriteLineC"Am in " & Me.mName & _ ".Current temperature is " & mHouse.HouseTemp)

" Ничего не делать, температура нормальная

End If Catch tie As ThreadlnterruptedException

" Пассивное ожидание было прервано Catch e As Exception

" Другие исключения

End Try

End SyncLock

End Sub

Код блока SyncLock выполняется атомарно. Доступ к нему со стороны всех остальных потоков будет закрыт, пока первый поток не снимет блокировку командой End SyncLock. Если поток в синхронизируемом блоке переходит в состояние пассивного ожидания, блокировка сохраняется вплоть до прерывания или возобновления работы потока.

Правильное использование команды SyncLock обеспечивает потоковую безопасность вашей программы. К сожалению, злоупотребление SyncLock отрицательно сказывается на быстродействии. Синхронизация кода в многопоточной программе уменьшает скорость ее работы в несколько раз. Синхронизируйте лишь самый необходимый код и снимайте блокировку как можно скорее.

Базовые классы коллекций небезопасны в многопоточных приложениях, но в.NET Framework входят поточно-безопасные версии большинства классов коллекций. В этих классах код потенциально опасных методов заключается в блоки SyncLock. Поточно-безопасные версии классов коллекций следует использовать в многопоточных программах везде, где возникает угроза целостности данных.

Остается упомянуть о том, что при помощи команды SyncLock легко реализуются условные переменные. Для этого потребуется лишь синхронизировать запись в общее логическое свойство, доступное для чтения и записи, как это сделано в следующем фрагменте:

Public Class ConditionVariable

Private Shared locker As Object= New Object()

Private Shared mOK As Boolean Shared

Property TheConditionVariable()As Boolean

Get

Return mOK

End Get

Set(ByVal Value As Boolean) SyncLock (locker)

mOK= Value

End SyncLock

End Set

End Property

End Class

Команда SyncLock и класс Monitor

Использование команды SyncLock связано с некоторыми тонкостями, не проявившимися в приведенных выше простых примерах. Так, очень важную роль играет выбор объекта синхронизации. Попробуйте запустить предыдущую программу с командой SyncLock(Me) вместо SyncLock(mHouse). Температура снова поднимается выше пороговой величины!

Помните, что команда SyncLock производит синхронизацию по объекту, переданному в качестве параметра, а не по фрагменту кода. Параметр SyncLock играет роль двери для обращения к синхронизируемому фрагменту из других потоков. Команда SyncLock(Me) фактически открывает несколько разных «дверей», а ведь именно этого вы и пытались избежать при помощи синхронизации. Мораль:

Для защиты общих данных в многопоточном приложении команда SyncLock должна синхронизироваться по одному объекту.

Поскольку синхронизация связана с конкретным объектом, в некоторых ситуациях возможна непреднамеренная блокировка других фрагментов. Допустим, у вас имеются два синхронизированных метода first и second, причем оба метода синхронизируются по объекту bigLock. Когда поток 1 входит в метод first и захватывает bigLock, ни один поток не сможет войти в метод second, потому что доступ к нему уже ограничен потоком 1!

Функциональность команды SyncLock можно рассматривать как подмножество функциональности класса Monitor. Класс Monitor обладает расширенными возможностями настройки, и с его помощью можно решать нетривиальные задачи синхронизации. Команда SyncLock является приближенным аналогом методов Enter и Exi t класса Moni tor:

Try

Monitor.Enter(theObject) Finally

Monitor.Exit(theObject)

End Try

Для некоторых стандартных операций (увеличение/уменьшение переменной, обмен содержимого двух переменных) в.NET Framework предусмотрен класс Interlocked, методы которого выполняют эти операции на атомарном уровне. С использованием класса Interlocked данные операции выполняются значительно быстрее, нежели при помощи команды SyncLock.

Взаимная блокировка

В процессе синхронизации блокировка устанавливается для объектов, а не потоков, поэтому при использовании разных объектов для блокировки разных фрагментов кода в программах иногда возникают весьма нетривиальные ошибки. К сожалению, во многих случаях синхронизация по одному объекту просто недопустима, поскольку она приведет к слишком частой блокировке потоков.

Рассмотрим ситуацию взаимной блокировки (deadlock) в простейшем виде. Представьте себе двух программистов за обеденным столом. К сожалению, на двоих у них только один нож и одна вилка. Если предположить, что для еды нужны и нож и вилка, возможны две ситуации:

• Один программист успевает схватить нож с вилкой и принимается за еду. Насытившись, он откладывает обеденный прибор, и тогда их может взять другой программист.
  
• Один программист забирает нож, а другой - вилку. Ни один не сможет начать еду, если другой не отдаст свой прибор.
  

В многопоточной программе подобная ситуация называется взаимной блокировкой. Два метода синхронизируются по разным объектам. Поток А захватывает объект 1 и входит во фрагмент программы, защищенный этим объектом. К сожалению, для работы ему необходим доступ к коду, защищенному другим блоком Sync Lock с другим объектом синхронизации. Но прежде, чем он успевает войти во фрагмент, синхронизируемый другим объектом, в него входит поток В и захватывает этот объект. Теперь поток А не может войти во второй фрагмент, поток В не может войти в первый фрагмент, и оба потока обречены на бесконечное ожидание. Ни один поток не может продолжить работу, поскольку необходимый для этого объект так и не будет освобожден.

Диагностика взаимных блокировок затрудняется тем, что они могут возникать в отно-сительно редких случаях. Все зависит от того, в каком порядке планировщик выделит им процессорное время. Вполне возможно, что в большинстве случаев объекты синхронизации будут захватываться в порядке, не приводящем к взаимной блокировке.

Ниже приведена реализация только что описанной ситуации взаимной блокировки. После краткого обсуждения наиболее принципиальных моментов мы покажем, как опознать ситуацию взаимной блокировки в окне потоков:

1 Option Strict On

2 Imports System.Threading

3 Module Modulel

4 Sub Main()

5 Dim Tom As New Programmer("Tom")

6 Dim Bob As New Programmer("Bob")

7 Dim aThreadStart As New ThreadStart(AddressOf Tom.Eat)

8 Dim aThread As New Thread(aThreadStart)

9 aThread.Name= "Tom"

10 Dim bThreadStart As New ThreadStarttAddressOf Bob.Eat)

11 Dim bThread As New Thread(bThreadStart)

12 bThread.Name = "Bob"

13 aThread.Start()

14 bThread.Start()

15 End Sub

16 End Module

17 Public Class Fork

18 Private Shared mForkAvaiTable As Boolean = True

19 Private Shared mOwner As String = "Nobody"

20 Private Readonly Property OwnsUtensil() As String

21 Get

22 Return mOwner

23 End Get

24 End Property

25 Public Sub GrabForktByVal a As Programmer)

26 Console.Writel_ine(Thread.CurrentThread.Name &_

"trying to grab the fork.")

27 Console.WriteLine(Me.OwnsUtensil & "has the fork.") . .

28 Monitor.Enter(Me) "SyncLock (aFork)"

29 If mForkAvailable Then

30 a.HasFork = True

31 mOwner = a.MyName

32 mForkAvailable = False

33 Console.WriteLine(a.MyName&"just got the fork.waiting")

34 Try

Thread.Sleep(100) Catch e As Exception Console.WriteLine (e.StackTrace)

End Try

35 End If

36 Monitor.Exit(Me)

End SyncLock

37 End Sub

38 End Class

39 Public Class Knife

40 Private Shared mKnifeAvailable As Boolean = True

41 Private Shared mOwner As String ="Nobody"

42 Private Readonly Property OwnsUtensi1() As String

43 Get

44 Return mOwner

45 End Get

46 End Property

47 Public Sub GrabKnifetByVal a As Programmer)

48 Console.WriteLine(Thread.CurrentThread.Name & _

"trying to grab the knife.")

49 Console.WriteLine(Me.OwnsUtensil & "has the knife.")

50 Monitor.Enter(Me) "SyncLock (aKnife)"

51 If mKnifeAvailable Then

52 mKnifeAvailable = False

53 a.HasKnife = True

54 mOwner = a.MyName

55 Console.WriteLine(a.MyName&"just got the knife.waiting")

56 Try

Thread.Sleep(100)

Catch e As Exception

Console.WriteLine (e.StackTrace)

End Try

57 End If

58 Monitor.Exit(Me)

59 End Sub

60 End Class

61 Public Class Programmer

62 Private mName As String

63 Private Shared mFork As Fork

64 Private Shared mKnife As Knife

65 Private mHasKnife As Boolean

66 Private mHasFork As Boolean

67 Shared Sub New()

68 mFork = New Fork()

69 mKnife = New Knife()

70 End Sub

71 Public Sub New(ByVal theName As String)

72 mName = theName

73 End Sub

74 Public Readonly Property MyName() As String

75 Get

76 Return mName

77 End Get

78 End Property

79 Public Property HasKnife() As Boolean

80 Get

81 Return mHasKnife

82 End Get

83 Set(ByVal Value As Boolean)

84 mHasKnife = Value

85 End Set

86 End Property

87 Public Property HasFork() As Boolean

88 Get

89 Return mHasFork

90 End Get

91 Set(ByVal Value As Boolean)

92 mHasFork = Value

93 End Set

94 End Property

95 Public Sub Eat()

96 Do Until Me.HasKnife And Me.HasFork

97 Console.Writeline(Thread.CurrentThread.Name&"is in the thread.")

98 If Rnd() < 0.5 Then

99 mFork.GrabFork(Me)

100 Else

101 mKnife.GrabKnife(Me)

102 End If

103 Loop

104 MsgBox(Me.MyName & "can eat!")

105 mKnife = New Knife()

106 mFork= New Fork()

107 End Sub

108 End Class

Основная процедура Main (строки 4-16) создает два экземпляра класса Programmer и затем запускает два потока для выполнения критического метода Eat класса Programmer (строки 95-108), описанного ниже. Процедура Main задает имена потоков и занускает их; вероятно, все происходящее понятно и без комментариев.

Интереснее выглядит код класса Fork (строки 17-38) (аналогичный класс Knife определяется в строках 39-60). В строках 18 и 19 задаются значения общих полей, по которым можно узнать, доступна ли в данный момент вилка, и если нет - кто ею пользуется. ReadOnly-свойство OwnUtensi1 (строки 20-24) предназначено для простейшей передачи информации. Центральное место в классе Fork занимает метод «захвата вилки» GrabFork, определяемый в строках 25-27.

1. Строки 26 и 27 просто выводят на консоль отладочную информацию. В основном коде метода (строки 28-36) доступ к вилке синхронизируется по объектной пе ременной Me. Поскольку в нашей программе используется только одна вилка, синхронизация по Me гарантирует, что два потока не смогут одновременно захватить ее. Команда Slee"p (в блоке, начинающемся в строке 34) имитирует задержку между захватом вилки/ножа и началом еды. Учтите, что команда Sleep не снимает блокировку с объектов и лишь ускоряет возникновение взаимной блокировки!
   Однако наибольший интерес представляет код класса Programmer (строки 61-108). В строках 67-70 определяется общий конструктор, что гарантирует наличие в программе только одной вилки и ножа. Код свойств (строки 74-94) прост и не требует комментариев. Самое главное происходит в методе Eat, выполняемом двумя отдельными потоками. Процесс продолжается в цикле до тех пор, пока какой-либо поток не захватит вилку вместе с ножом. В строках 98-102 объект случайным образом захватывает вилку/нож, используя вызов Rnd, - именно это и порождает взаимную блокировку. Происходит следующее:
   Поток, выполняющий метод Eat объекта Тот, активизируется и входит в цикл. Он захватывает нож и переходит в состояние ожидания.
   
2. Поток, выполняющий метод Eat объекта Bob, активизируется и входит в цикл. Он не может захватить нож, но захватывает вилку и переходит в состояние ожидания.
   
3. Поток, выполняющий метод Eat объекта Тот, активизируется и входит в цикл. Он пытается захватить вилку, однако вилка уже захвачена объектом Bob; поток переходит в состояние ожидания.
   
4. Поток, выполняющий метод Eat объекта Bob, активизируется и входит в цикл. Он пытается захватить нож, однако нож уже захвачен объектом Тот; поток переходит в состояние ожидания.

Все это продолжается до бесконечности - перед нами типичная ситуация взаимной блокировки (попробуйте запустить программу, и вы убедитесь в том, что поесть так никому и не удается).
О возникновении взаимной блокировки можно узнать и в окне потоков. Запустите программу и прервите ее клавишами Ctrl+Break. Включите в окно просмотра переменную Me и откройте окно потоков. Результат выглядит примерно так, как показано на рис. 10.7. Из рисунка видно, что поток Bob захватил нож, но вилки у него нет. Щелкните правой кнопкой мыши в окне потоков на строке Тот и выберите в контекстном меню команду Switch to Thread. Окно просмотра показывает, что у потока Тот имеется вилка, но нет ножа. Конечно, это не является стопроцентным доказательством, но подобное поведение по крайней мере заставляет заподозрить неладное.
Если вариант с синхронизацией по одному объекту (как в программе с повышением -температуры в доме) невозможен, для предотвращения взаимных блокировок можно пронумеровать объекты синхронизации и всегда захватывать их в постоянном порядке. Продолжим аналогию с обедающими программистами: если поток всегда сначала берет нож, а потом вилку, проблем с взаимной блокировкой не будет. Первый поток, захвативший нож, сможет нормально поесть. В переводе на язык программных потоков это означает, что захват объекта 2 возможен лишь при условии предварительного захвата объекта 1.

Рис. 10.7. Анализ взаимной блокировки в окне потоков

Следовательно, если убрать вызов Rnd в строке 98 и заменить его фрагментом

mFork.GrabFork(Me)

mKnife.GrabKnife(Me)

взаимная блокировка исчезает!

Совместная работа с данными по мере их создания

В многопоточных приложениях часто встречается ситуация, когда потоки не только работают с общими данными, но и ожидают их появления (то есть поток 1 должен создать данные, прежде чем поток 2 сможет их использовать). Поскольку данные являются общими, доступ к ним необходимо синхронизировать. Также необходимо предусмотреть средства для оповещения ожидающих потоков о появлении готовых данных.

Подобная ситуация обычно называется проблемой «поставщик/потребитель». Поток пытается обратиться к данным, которых еще нет, поэтому он должен передать управление другому потоку, создающему нужные данные. Проблема решается кодом следующего вида:

• Поток 1 (потребитель) активизируется, входите синхронизированный метод, ищет данные, не находит их и переходит в состояние ожидания. Предвари телъно он должен снять блокировку, чтобы не мешать работе потока- поставщика.
  
• Поток 2 (поставщик) входит в синхронизированный метод, освобожденный потоком 1, создает данные для потока 1 и каким-то образом оповещает поток 1 о наличии данных. Затем он снимает блокировку, чтобы поток 1 смог обработать новые данные.
  

Не пытайтесь решить эту проблему постоянной активизацией потока 1 с проверкой состояния условной переменной, значение которой>устанавливается потоком 2. Такое решение серьезно повлияет на быстродействие вашей программы, поскольку в большинстве случаев поток 1 будет активизироваться без всяких причин; а поток 2 будет переходить в ожидание так часто, что у него не останется времени на создание данных.

Связи «поставщик/потребитель» встречаются очень часто, поэтому в библиотеках классов многопоточного программирования для таких ситуаций создаются специальные примитивы. В.NET эти примитивы называются Wait и Pulse-PulseAl 1 и являются частью класса Monitor. Рисунок 10.8 поясняет ситуацию, которую мы собираемся запрограммировать. В программе организуются три очереди потоков: очередь ожидания, очередь блокировки и очередь выполнения. Планировщик потоков не выделяет процессорное время потокам, находящимся в очереди ожидания. Чтобы потоку выделялось время, он должен переместиться в очередь выполнения. В результате работа приложения организуется гораздо эффективнее, чем при обычном опросе условной переменной.

На псевдокоде идиома потребителя данных формулируется так:

" Вход в синхронизированный блок следующего вида

While нет данных

Перейти в очередь ожидания

Loop

Если данные есть, обработать их.

Покинуть синхронизированный блок

Сразу же после выполнения команды Wait поток приостанавливается, блокировка снимается, и поток переходит в очередь ожидания. При снятии блокировки поток, находящийся в очереди выполнения, получает возможность работать. Со временем один или несколько заблокированных потоков создадут данные, необходимые для работы потока, находящегося в очереди ожидания. Поскольку проверка данных осуществляется в цикле, переход к использованию данных (после цикла) происходит лишь при наличии данных, готовых к обработке.

На псевдокоде идиома поставщика данных выглядит так:

" Вход в синхронизированный блок вида

While данные НЕ нужны

Перейти в очередь ожидания

Else Произвести данные

После появления готовых данных вызвать Pulse-PulseAll.

чтобы переместить один или несколько потоков из очереди блокировки в очередь выполнения. Покинуть синхронизированный блок (и вернуться в очередь выполнения)

Предположим, наша программа моделирует семью с одним родителем, который зарабатывает деньги, и ребенком, который эти деньги тратит. Когда деньги конча ются, ребенку приходится ждать прихода новой суммы. Программная реализация этой модели выглядит так:

1 Option Strict On

2 Imports System.Threading

3 Module Modulel

4 Sub Main()

5 Dim theFamily As New Family()

6 theFamily.StartltsLife()

7 End Sub

8 End fjodule

9

10 Public Class Family

11 Private mMoney As Integer

12 Private mWeek As Integer = 1

13 Public Sub StartltsLife()

14 Dim aThreadStart As New ThreadStarUAddressOf Me.Produce)

15 Dim bThreadStart As New ThreadStarUAddressOf Me.Consume)

16 Dim aThread As New Thread(aThreadStart)

17 Dim bThread As New Thread(bThreadStart)

18 aThread.Name = "Produce"

19 aThread.Start()

20 bThread.Name = "Consume"

21 bThread. Start()

22 End Sub

23 Public Property TheWeek() As Integer

24 Get

25 Return mweek

26 End Get

27 Set(ByVal Value As Integer)

28 mweek - Value

29 End Set

30 End Property

31 Public Property OurMoney() As Integer

32 Get

33 Return mMoney

34 End Get

35 Set(ByVal Value As Integer)

36 mMoney =Value

37 End Set

38 End Property

39 Public Sub Produce()

40 Thread.Sleep(500)

41 Do

42 Monitor.Enter(Me)

43 Do While Me.OurMoney > 0

44 Monitor.Wait(Me)

45 Loop

46 Me.OurMoney =1000

47 Monitor.PulseAll(Me)

48 Monitor.Exit(Me)

49 Loop

50 End Sub

51 Public Sub Consume()

52 MsgBox("Am in consume thread")

53 Do

54 Monitor.Enter(Me)

55 Do While Me.OurMoney = 0

56 Monitor.Wait(Me)

57 Loop

58 Console.WriteLine("Dear parent I just spent all your " & _

money in week " & TheWeek)

59 TheWeek += 1

60 If TheWeek = 21 *52 Then System.Environment.Exit(0)

61 Me.OurMoney =0

62 Monitor.PulseAll(Me)

63 Monitor.Exit(Me)

64 Loop

65 End Sub

66 End Class

Метод StartltsLife (строки 13-22) осуществляет подготовку к запуску потоков Produce и Consume. Самое главное происходит в потоках Produce (строки 39-50) и Consume (строки 51-65). Процедура Sub Produce проверяет наличие денег, и если деньги есть, переходит в очередь ожидания. В противном случае родитель генерирует деньги (строка 46) и оповещает объекты в очереди ожидания об изменении ситуации. Учтите, что вызов Pulse-Pulse All вступает в силу лишь при снятии блокировки командой Monitor.Exit. И наоборот, процедура Sub Consume проверяет наличие денег, и если денег нет - оповещает об этом ожидающего родителя. Строка 60 просто завершает программу по прошествии 21 условного года; вызов System. Environment.Exit(0) является.NET-аналогом команды End (команда End тоже поддерживается, но в отличие от System. Environment. Exit она не позволяет вернуть код завершения операционной системе).

Потоки, переведенные в очередь ожидания, должны быть освобождены другими час-тями вашей программы. Именно по этой причине мы предпочитаем использовать PulseAll вместо Pulse. Поскольку заранее неизвестно, какой именно поток будет активизирован при вызове Pulse 1 , при относительно небольшом количестве потоков в очереди с таким же успехом можно вызвать PulseAll.

Многопоточность в графических программах

Наше обсуждение многопоточности в приложениях с графическим интерфейсом начнется с примера, поясняющего, для чего нужна многопоточность в графических приложениях. Создайте форму с двумя кнопками Start (btnStart) и Cancel (btnCancel), как показано на рис. 10.9. При нажатии кнопки Start создается класс, который содержит случайную строку из 10 миллионов символов и метод для подсчета вхождений буквы «Е» в этой длинной строке. Обратите внимание на применение класса StringBuilder, повышающего эффективность создания длинных строк.

Шаг 1

Поток 1 замечает, что данных для него нет. Он вызывает Wait, снимает блокировку и переходит в очередь ожидания

Шаг 2

При снятии блокировки поток 2 или поток 3 выходит из очереди блокировки и входит в синхронизированный блок, устанавливая блокировку

ШагЗ

Допустим, поток 3 входит в синхронизированный блок, создает данные и вызывает Pulse-Pulse All.

Сразу же после его выхода из блока и снятия блокировки поток 1 перемещается в очередь выполнения. Если поток 3 вызывает Pluse, в очередь выполнения переходит только один поток, при вызове Pluse All в очередь выполнения переходят все потоки.

Рис. 10.8. Проблема «поставщик/потребитель»

Рис. 10.9. Многопоточность в простом приложении с графическим интерфейсом

Imports System.Text

Public Class RandomCharacters

Private m_Data As StringBuilder

Private mjength, m_count As Integer

Public Sub New(ByVal n As Integer)

m_Length = n -1

m_Data = New StringBuilder(m_length) MakeString()

End Sub

Private Sub MakeString()

Dim i As Integer

Dim myRnd As New Random()

For i = 0 To m_length

" Сгенерировать случайное число от 65 до 90,

" преобразовать его в прописную букву

" и присоединить к объекту StringBuilder

m_Data.Append(Chr(myRnd.Next(65.90)))

Next

End Sub

Public Sub StartCount()

GetEes()

End Sub

Private Sub GetEes()

Dim i As Integer

For i = 0 To m_length

If m_Data.Chars(i) = CChar("E") Then

m_count += 1

End If Next

m_CountDone = True

End Sub

Public Readonly

Property GetCount() As Integer Get

If Not (m_CountDone) Then

Return m_count

End If

End Get End Property

Public Readonly

Property IsDone()As Boolean Get

Return

m_CountDone

End Get

End Property

End Class

С двумя кнопками на форме связывается весьма простой код. В процедуре btn-Start_Click создается экземпляр приведенного выше класса RandomCharacters, инкапсулирующего строку с 10 миллионами символов:

Private Sub btnStart_Click(ByVal sender As System.Object.

ByVal e As System.EventArgs) Handles btnSTart.Click

Dim RC As New RandomCharacters(10000000)

RC.StartCount()

MsgBox("The number of es is " & RC.GetCount)

End Sub

Кнопка Cancel выводит окно сообщения:

Private Sub btnCancel_Click(ByVal sender As System.Object._

ByVal e As System.EventArgs)Handles btnCancel.Click

MsgBox("Count Interrupted!")

End Sub

При запуске программы и нажатии кнопки Start выясняется, что кнопка Cancel не реагирует на действия пользователя, поскольку непрерывный цикл не позволяет кнопке обработать полученное событие. В современных программах подобное недопустимо!

Возможны два решения. Первый вариант, хорошо знакомый по предыдущим версиям VB, обходится без многопоточности: в цикл включается вызов DoEvents. В.NET эта команда выглядит так:

Application.DoEvents()

В нашем примере это определенно нежелательно - кому захочется замедлять программу десятью миллионами вызовов DoEvents! Если вместо этого выделить цикл в отдельный поток, операционная система будет переключаться между потоками и кнопка Cancel сохранит работоспособность. Реализация с отдельным потоком приведена ниже. Чтобы наглядно показать, что кнопка Cancel работает, при ее нажатии мы просто завершаем программу.

Следующий шаг: кнопка Show Count

Допустим, вы решили проявить творческую фантазию и придать форме вид, показанный на рис. 10.9. Обратите внимание: кнопка Show Count пока недоступна.

Рис. 10.10. Форма с заблокированной кнопкой

Предполагается, что отдельный поток выполняет подсчет и разблокирует недоступную кнопку. Конечно, это можно сделать; более того, такая задача возникает достаточно часто. К сожалению, вы не сможете действовать наиболее очевидным образом - организовать связь вторичного потока с потоком графического интерфейса, сохраняя ссылку на кнопку ShowCount в конструкторе, или даже с использованием стандартного делегата. Иначе говоря, никогда не используйте вариант, приведенный ниже (основные ошибочные строки выделены жирным шрифтом).

Public Class RandomCharacters

Private m_0ata As StringBuilder

Private m_CountDone As Boolean

Private mjength. m_count As Integer

Private m_Button As Windows.Forms.Button

Public Sub New(ByVa1 n As Integer,_

ByVal b As Windows.Forms.Button)

m_length = n - 1

m_Data = New StringBuilder(mJength)

m_Button = b MakeString()

End Sub

Private Sub MakeString()

Dim I As Integer

Dim myRnd As New Random()

For I = 0 To m_length

m_Data.Append(Chr(myRnd.Next(65. 90)))

Next

End Sub

Public Sub StartCount()

GetEes()

End Sub

Private Sub GetEes()

Dim I As Integer

For I = 0 To mjength

If m_Data.Chars(I) = CChar("E") Then

m_count += 1

End If Next

m_CountDone =True

m_Button.Enabled=True

End Sub

Public Readonly

Property GetCount()As Integer

Get

If Not (m_CountDone) Then

Throw New Exception("Count not yet done") Else

Return m_count

End If

End Get

End Property

Public Readonly Property IsDone() As Boolean

Get

Return m_CountDone

End Get

End Property

End Class

Вполне вероятно, что в некоторых случаях этот код будет работать. Тем не менее:

• Взаимодействие вторичного потока с потоком, создающим графический интерфейс, не удается организовать очевидными средствами.
  
• Никогда не изменяйте элементы в графических программах из других программных потоков. Все изменения должны происходить только в потоке, создавшем графический интерфейс.
  

Если вы нарушите эти правила, мы гарантируем, что в ваших многопоточных графических программах будут возникать тонкие, неуловимые ошибки.

Организовать взаимодействие объектов с применением событий тоже не удастся. 06-работник события выполняется в том же потоке, в котором произошел вызов RaiseEvent поэтому события вам не помогут.

И все же здравый смысл подсказывает, что в графических приложениях должны существовать средства модификации элементов из другого потока. В.NET Framework существует поточно-безопасный способ вызова методов приложений GUI из другого потока. Для этой цели используется особый тип делегатов Method Invoker из пространства имен System.Windows. Forms. В следующем фрагменте приведен новый вариант метода GetEes (измененные строки выделены жирным шрифтом):

Private Sub GetEes()

Dim I As Integer

For I = 0 To m_length

If m_Data.Chars(I) = CChar("E")Then

m_count += 1

End If Next

m_CountDone = True Try

Dim mylnvoker As New Methodlnvoker(AddressOf UpDateButton)

myInvoker.Invoke() Catch e As ThreadlnterruptedException

"Неудача

End Try

End Sub

Public Sub UpDateButton()

m_Button.Enabled =True

End Sub

Межпоточные обращения к кнопке осуществляются не напрямую, а через Method Invoker. .NET Framework гарантирует, что этот вариант безопасен по отношению к потокам.

Почему при многопоточном программировании возникает столько проблем?

Теперь, когда вы получили некоторое представление о многопоточном программировании и о потенциальных проблемах, с ним связанных, мы решили, что в конце этой главы будет уместно ответить на вопрос, вынесенный в заголовок подраздела.

Одна из причин заключается в том, что многопотрчность - процесс нелинейный, а мы привыкли к линейной модели программирования. На первых порах трудно привыкнуть к самой мысли о том, что выполнение программы может прерываться случайным образом, а управление будет передаваться другому коду.

Однако существует и другая, более фундаментальная причина: в наши дни программисты слишком редко программируют на ассемблере или хотя бы просматривают дизассемблированные результаты работы компилятора. Иначе им было бы гораздо проще привыкнуть к мысли, что одной команде языка высокого уровня (такого, как VB .NET) могут соответствовать десятки ассемблерных инструкций. Поток может прерываться после любой из этих инструкций, а следовательно - и посреди команды высокого уровня.

Но и это не все: современные компиляторы оптимизируют быстродействие программ, а оборудование компьютера может вмешиваться в процесс управления памятью. Как следствие, компилятор или оборудование может без вашего ведома изменить порядок команд, указанный в исходном тексте программы [Многие компиляторы оптимизируют циклические операции копирования массивов вида for i=0 to n:b(i)=a(i):ncxt. Компилятор (или даже специализированное устройство управления памятью) может просто создать массив, а потом заполнить его одной операцией копирования вместо многократного копирования отдельных элементов! ].

Надеемся, эти пояснения помогут вам лучше понять, почему многопоточное программирование порождает столько проблем, - или по крайней мере меньше удивляться при виде странного поведения ваших многопоточных программ!

Клэй Бреширс (Clay Breshears)

Введение

Методы реализации многопоточности, используемые специалистами Intel, включают в себя четыре основных этапа: анализ, разработка и реализация, отладка и настройка производительности. Именно такой подход используется для создания многопоточного приложения из последовательного программного кода. Работа с программными средствами в ходе выполнения первого, третьего и четвертого этапов освещена достаточно широко, в то время как информации по реализации второго шага явно недостаточно.

Вышло в свет немало книг, посвящённых параллельным алгоритмам и параллельным вычислениям. Тем не менее, в этих изданиях в основном раскрываются передача сообщений, системы с распределённой памятью или теоретические параллельные модели вычислений, порой неприменимые к реальным многоядерным платформам. Если вы готовы серьёзно заниматься многопоточным программированием, вам наверняка потребуются знания о разработке алгоритмов для этих моделей. Конечно, применение данных моделей достаточно ограничено, поэтому многим разработчикам ПО, возможно, так и придется реализовать их на практике.

Без преувеличения можно сказать, что разработка многопоточных приложений – в первую очередь творческое занятие, и лишь потом уже научная деятельность. Из этой статьи вы узнаете о восьми несложных правилах, которые помогут вам расширить базу практических методов параллельного программирования и повысить эффективность реализации поточных вычислений в своих приложениях.

Правило 1. Выделите операции, выполняемые в программном коде независимо друг от друга

Параллельная обработка применима лишь к тем операциям последовательного кода, которые выполняются независимо друг от друга. Неплохим примером того, как независимые друг от друга действия приводят к реальному единому результату, является строительство дома. В нём участвуют рабочие множества специальностей: плотники, электрики, штукатуры, сантехники, кровельщики, маляры, каменщики, озеленители и проч. Конечно, некоторые из них не могут начать работать до того, как другие закончат свою деятельность (например, кровельщики не приступят к работе, пока не будут построены стены, а маляры не станут красить эти стены, если они не оштукатурены). Но в целом можно сказать, что все люди, участвующие в строительстве, действуют независимо друг от друга.

Рассмотрим ещё один пример – рабочий цикл пункта проката DVD-дисков, в который приходят заказы на определённые фильмы. Заказы распределяются между работниками пункта, которые ищут эти фильмы на складе. Естественно, если один из работников возьмёт со склада диск, на котором записан фильм с участием Одри Хепбёрн, это никоим образом не затронет другого работника, ищущего очередной боевик с Арнольдом Шварценеггером, и уж тем более не повлияет на их коллегу, находящегося в поисках дисков с новым сезоном сериала «Друзья». В нашем примере мы считаем, что все проблемы, связанные с отсутствием фильмов на складе, были решены до того, как заказы поступили в пункт проката, а упаковка и отправка любого заказа не повлияет на обработку других.

В своей работе вы наверняка столкнётесь с вычислениями, обработка которых возможна лишь в определённой последовательности, а не параллельно, поскольку различные итерации или шаги цикла зависят друг от друга и должны выполняться в строгом порядке. Возьмем живой пример из дикой природы. Представьте себе беременную олениху. Поскольку вынашивание плода длится в среднем восемь месяцев, то, как ни крути, оленёнок не появится через месяц, даже если восемь олених забеременеют одновременно. Однако, восемь олених одновременно прекрасно бы справились со своей задачей, если запрячь их всех в сани Санта-Клауса.

Правило 2. Применяйте параллельность с низким уровнем детализации

Существует два подхода к параллельному разделению последовательного программного кода: «снизу-вверх» и «сверху-вниз». Сначала, на этапе анализа кода, определяются сегменты кода (так называемые «горячие» точки), на которые уходит значительная часть времени выполнения программы. Параллельное разделение этих сегментов кода (если оно возможно) обеспечит максимальный прирост производительности.

В подходе «снизу-вверх» реализуется многопоточная обработка «горячих» точек кода. Если параллельное разделение найденных точек невозможно, нужно исследовать стек вызовов приложения, чтобы определить другие сегменты, доступные для параллельного разделения и выполняющиеся достаточно долгое время. Предположим, вы работаете над приложением, предназначенным для сжатия графических изображений. Сжатие можно реализовать с помощью нескольких независимых параллельных потоков, обрабатывающих отдельные сегменты изображения. Однако даже если вам удалось реализовать многопоточность «горячих» точек, не пренебрегайте анализом стека вызовов, в результате которого можно найти доступные для параллельного разделения сегменты, находящиеся на более высоком уровне программного кода. Таким образом, вы сможете увеличить степень детализации параллельной обработки.

В подходе «сверху-вниз» анализируется работа программного кода, и выделяются его отдельные сегменты, выполнение которых приводит к завершению всей поставленной задачи. Если явная независимость основных сегментов кода отсутствует, проанализируйте их составляющие части для поиска независимых вычислений. Проанализировав программный код, вы сможете определить модули кода, на выполнение которых уходит больше всего процессорного времени. Рассмотрим реализацию поточной обработки в приложении, предназначенном для кодирования видео. Параллельная обработка может быть реализована на самом низком уровне – для независимых пикселей одного кадра, или на более высоком – для групп кадров, которые можно обработать независимо от других групп. Если приложение создаётся для одновременной обработки нескольких видеофайлов, параллельное разделение на таком уровне может оказаться ещё проще, а детализация будет иметь самую низкую степень.

Под степенью детализации параллельных вычислений понимается объём вычислений, которые необходимо выполнить перед синхронизацией между потоками. Другими словами, чем реже осуществляется синхронизация, тем ниже степень детализации. Поточные вычисления с высокой степень детализации могут привести к тому, что системные издержки, связанные с организацией потоков, превысят объём полезных вычислений, выполняемых этими потоками. Увеличение числа потоков при неизменном объёме вычислений усложняет процесс обработки. Многопоточность с низкой детализацией вызывает меньше системных задержек и имеет больший потенциал для масштабирования, которое может быть осуществлено с помощью организации дополнительных потоков. Для реализации параллельной обработки с низкой детализацией рекомендуется использовать подход «сверху-вниз» и организовывать потоки на высоком уровне стека вызовов.

Правило 3. Закладывайте в свой код возможности масштабирования, чтобы его производительность росла с ростом количества ядер.

Не так давно, помимо двухъядерных процессоров, на рынке появились четырёхъядерные. Более того, Intel уже объявила о создании процессора с 80 ядрами, способного выполнять триллион операций с плавающей точкой в секунду. Поскольку количество ядер в процессорах будет со временем только расти, ваш программный код должен иметь соответствующий потенциал для масштабируемости. Масштабируемость – параметр, по которому можно судить о способности приложения адекватно реагировать на такие изменения, как увеличение системных ресурсов (количество ядер, объём памяти, частота шины и проч.) или увеличение объёма данных. Учитывая, что количество ядер в процессорах будущего увеличится, создавайте масштабируемый код, производительность которого будет расти благодаря увеличению системных ресурсов.

Перефразируя один из законов Норткота Паркинсона (C. Northecote Parkinson), можно сказать, что «обработка данных занимает все доступные системные ресурсы». Это означает, что при увеличении вычислительных ресурсов (например, количества ядер), все они, вероятнее всего, будут использоваться для обработки данных. Вернёмся к приложению для сжатия видео, рассмотренному выше. Появление у процессора дополнительных ядер вряд ли скажется на размере обрабатываемых кадров – вместо этого увеличится число потоков, обрабатывающих кадр, что приведёт к уменьшению количества пикселей на поток. В результате, из-за организации дополнительных потоков, возрастет объем служебных данных, а степень детализации параллелизма снизится. Ещё одним более вероятным сценарием может стать увеличение размера или количества видеофайлов, которые нужно будет кодировать. В этом случае организация дополнительных потоков, которые будут обрабатывать более объёмные (или дополнительные) видеофайлы, позволит разделить весь объём работ непосредственно на том этапе, где произошло увеличение. В свою очередь, приложение с такими возможностями будет иметь высокий потенциал для масштабируемости.

Разработка и реализация параллельной обработки с использованием декомпозиции данных обеспечивает повышенную масштабируемость по сравнению с использованием функциональной декомпозиции. Количество независимых функций в программном коде чаще всего ограничено и не меняется в процессе выполнения приложения. Поскольку каждой независимой функции выделяется отдельный поток (и, соответственно, процессорное ядро), то с увеличением количества ядер дополнительно организуемые потоки не вызовут прироста производительности. Итак, модели параллельного разделения с декомпозицией данных обеспечат повышенный потенциал для масштабируемости приложения благодаря тому, что с увеличением количества процессорных ядер возрастёт объём обрабатываемых данных.

Даже если в программном коде организована поточная обработка независимых функций, вероятна возможность использования дополнительных потоков, запускаемых при увеличении входной нагрузки. Вернёмся к примеру со строительством дома, рассмотренному выше. Своеобразная цель строительства – завершить ограниченное количество независимых задач. Однако, если поступило указание возвести в два раза больше этажей, вам наверняка захочется нанять дополнительных рабочих некоторых специальностей (маляров, кровельщиков, сантехников и проч.). Следовательно, вам нужно разрабатывать приложения, которые могут адаптироваться под декомпозицию данных, возникающую в результате увеличения нагрузки. Если в вашем коде реализована функциональная декомпозиция, предусмотрите организацию дополнительных потоков при увеличении количества процессорных ядер.

Правило 4. Применяйте поточно-ориентированные библиотеки

Если для обработки данных в «горячих» точках кода может понадобиться какая-либо библиотека, обязательно подумайте об использовании готовых функций вместо собственного кода. Одним словом, не пытайтесь изобрести велосипед, разрабатывая сегменты кода, функции которых уже предусмотрены в оптимизированных процедурах из состава библиотек. Многие библиотеки, в том числе Intel® Math Kernel Library (Intel® MKL) и Intel® Integrated Performance Primitives (Intel® IPP), уже содержат многопоточные функции, оптимизированные под многоядерные процессоры.

Стоит заметить, что при использовании процедур из состава многопоточных библиотек необходимо убедиться, что вызов той или иной библиотеки не повлияет на нормальную работу потоков. То есть, если вызовы процедур осуществляются из двух различных потоков, в результате каждого вызова должны возвращаться правильные результаты. Если же процедуры обращаются к общим переменным библиотеки и обновляют их, возможно возникновение «гонки данных», которая пагубно отразится на достоверности результатов вычислений. Для корректной работы с потоками библиотечная процедура добавляется как новая (то есть не обновляет ничего, кроме локальных переменных) или синхронизируется для защиты доступа к общим ресурсам. Вывод: перед тем, как использовать в своём программном коде какую-либо библиотеку стороннего производителя, ознакомьтесь с приложенной к ней документацией, чтобы убедиться в ее корректной работе с потоками.

Правило 5. Используйте подходящую модель многопоточности

Предположим, для параллельного разделения всех подходящих сегментов кода функций из состава многопоточных библиотек явно недостаточно, и вам пришлось задуматься об организации потоков. Не спешите создавать собственную (громоздкую) структуру потоков, если библиотека OpenMP уже содержит все необходимые вам функциональные возможности.

Минусом явной многопоточности является невозможность точного управления потоками.

Если вам нужно только параллельное разделение ресурсоёмких циклов, либо дополнительная гибкость, которую дают явные потоки, стоит для вас на втором плане, то в данном случае смысла делать лишнюю работу не имеет. Чем сложнее реализация многопоточности, тем больше вероятность возникновения ошибок в коде и сложнее его последующая доработка.

Библиотека OpenMP ориентирована на декомпозицию данных и особенно хорошо подходит для поточной обработки циклов, работающих с большими объёмами информации. Несмотря на то, что к некоторым приложениям применима лишь декомпозиция данных, необходимо учесть и дополнительные требования (например, работодателя или заказчика), согласно которым использование OpenMP недопустимо и остаётся реализовывать многопоточность явными методами. В таком случае OpenMP можно использовать для предварительной организации потоков, чтобы оценить потенциальный прирост производительности, масштабируемость и примерные усилия, которые потребуются для последующего разделения программного кода методом явной многопоточности.

Правило 6. Результат работы программного кода не должен зависеть от последовательности выполнения параллельных потоков

Для последовательного программного кода достаточно просто определить выражение, которое будет выполняться после любого другого выражения. В многопоточном коде порядок выполнения потоков не определён и зависит от указаний планировщика операционной системы. Строго говоря, практически невозможно предугадать последовательность потоков, запускаемых для выполнения какой-либо операции, или определить, какой поток будет запущен планировщиком в последующий момент. Прогнозирование главным образом используется для снижения времени задержки при выполнении приложения, особенно при работе на платформе с процессором, количество ядер которого меньше числа организованных потоков. Если какой-то поток заблокирован из-за того, что ему требуется доступ к области, не записанной в кэш-память, или из-за необходимости выполнить запрос на операцию ввода/вывода, планировщик приостановит его и запустит поток, готовый к запуску.

Непосредственным результатом неопределённости в планировании выполнения потоков являются ситуации с возникновением «гонки данных». Предположение о том, что какой-то поток изменит значение общей переменной до того, как другой поток считает это значение, может оказаться ошибочным. При удачном стечении обстоятельств порядок выполнения потоков для конкретной платформы останется одним и тем же при всех запусках приложения. Однако мельчайшие изменения в состоянии системы (например, расположение данных на жёстком диске, быстродействие памяти или даже отклонение от номинала частоты переменного тока сети питания) способны спровоцировать иной порядок выполнения потоков. Таким образом, для программного кода, работающего корректно лишь с определённой последовательностью потоков, вероятны проблемы, связанные с ситуациями «гонки данных» и взаимными блокировками.

С точки зрения прироста производительности предпочтительнее не ограничивать порядок выполнения потоков. Строгая последовательность выполнения потоков допускается лишь в случае крайней необходимости, определяемой по заранее установленному критерию. В случае возникновения таких обстоятельств потоки будут запускаться в порядке, заданном предусмотренными механизмами синхронизации. Для примера представим двух друзей, читающих газету, которая разложена на столе. Во-первых, они могут читать с разной скоростью, во-вторых, они могут читать разные статьи. И здесь неважно, кто прочтёт разворот газеты первым – ему в любом случае придётся подождать своего приятеля, прежде чем перевернуть страницу. При этом не ставится никаких ограничений по времени и порядку чтения статей – приятели читают с любой скоростью, а синхронизация между ними наступает непосредственно при переворачивании страницы.

Правило 7. Используйте локальное хранение потоков. При необходимости назначайте блокировки на отдельные области данных

Синхронизация неизбежно увеличивает нагрузку на систему, что ни коим образом не ускоряет процесс получения результатов параллельных вычислений, однако обеспечивает их правильность. Да, синхронизация необходима, но ей нельзя злоупотреблять. Для минимизации синхронизации применяется локальное хранение потоков или выделенные области памяти (например, элементы массива, помеченные идентификаторами соответствующих потоков).

Необходимость совместного использования временных переменных разными потоками возникает достаточно редко. Такие переменные необходимо объявлять или выделять локально каждому потоку. Переменные, значения которых являются промежуточными результатами выполнения потоков, также должны быть объявлены локальными для соответствующих потоков. Для суммирования этих промежуточных результатов в какой-то общей области памяти потребуется синхронизация. Чтобы минимизировать возможные нагрузки на систему, предпочтительно обновлять эту общую область как можно реже. Для методов явной многопоточности предусмотрены прикладные программные интерфейсы локального хранения потоков, обеспечивающие целостность локальных данных с начала выполнения одного многопоточного сегмента кода до начала выполнения следующего сегмента (или в процессе обработки одного вызова многопоточной функции до следующего выполнения этой же функции).

Если локальное хранение потоков невозможно, доступ к общим ресурсам синхронизируется с помощью различных объектов, например, блокировок. При этом важно правильно назначить блокировки конкретным блокам данных, что проще всего сделать, если количество блокировок равно количеству блоков данных. Единый механизм блокировки, синхронизирующий доступ к нескольким областям памяти, применяется только тогда, когда все эти области постоянно находятся в одном и том же критическом разделе программного кода.

Как поступить, если возникла необходимость синхронизировать доступ к большому объёму данных, например, к массиву, состоящему из 10000 элементов? Организовать единственную блокировку для всего массива – значит наверняка создать узкое место в приложении. Неужели придётся организовывать блокировку для каждого элемента в отдельности? Тогда, даже если к данным будут обращаться 32 или 64 параллельных потока, придётся предотвращать конфликты доступа к довольно большой области памяти, причём вероятность возникновения таких конфликтов – 1%. К счастью, существует своеобразная золотая середина, так называемые «блокировки по модулю». Если используется N блокировок по модулю, каждая из них будет синхронизировать доступ к N-й части общей области данных. Например, если организовано две таких блокировки, одна из них будет предотвращать доступ к чётным элементам массива, а вторая – к нечётным. В таком случае, потоки, обращаясь к необходимому элементу, определяют его чётность и устанавливают соответствующую блокировку. Количество блокировок по модулю выбирается с учётом количества потоков и вероятности одновременного обращения нескольких потоков к одной и той же области памяти.

Заметим, что для синхронизации доступа к одной области памяти не допускается одновременное использование нескольких механизмов блокировки. Вспомним закон Сегала: «Человек, имеющий одни часы, твердо знает, который час. Человек, имеющий несколько часов, ни в чём не уверен». Предположим, что доступ к переменной контролируют две различные блокировки. В этом случае первой блокировкой может воспользоваться один сегмент кода, а второй – другой сегмент. Тогда потоки, выполняющие эти сегменты, окажутся в ситуации гонки за общие данные, к которым они одновременно обращаются.

Правило 8. Измените программный алгоритм, если это требуется для реализации многопоточности

Критерием оценки производительности приложений, как последовательных, так и параллельных, является время выполнения. В качестве оценки алгоритма подходит асимптотический порядок. По этому теоретическому показателю практически всегда можно оценить производительность приложения. То есть, при всех прочих равных условиях, приложение со степенью роста O(n log n) (быстрая сортировка), будет работать быстрее приложения со степенью роста O(n2) (выборочная сортировка), хотя результаты работы этих приложений одинаковы.

Чем лучше асимптотический порядок выполнения, тем быстрее выполняется параллельное приложение. Однако даже самый производительный последовательный алгоритм не всегда можно будет разделить на параллельные потоки. Если «горячую» точку программы слишком сложно разделить, и на более высоком уровне стека вызовов этой «горячей» точки тоже нет возможности реализовать многопоточность, следует сначала задуматься о применении иного последовательного алгоритма, более простого для разделения по сравнению с исходным. Безусловно, для подготовки программного кода к поточной обработке существуют и иные способы.

В качестве иллюстрации последнего утверждения рассмотрим умножение двух квадратных матриц. Алгоритм Штрассена имеет один из лучших асимптотических порядков выполнения: O(n2.81), который намного лучше, чем порядок O(n3) алгоритма с обычным тройным вложенным циклом. Согласно алгоритму Штрассена, каждая матрица делится на четыре подматрицы, после чего производится семь рекурсивных вызовов для перемножения n/2 × n/2 подматриц. Для распараллеливания рекурсивных вызовов можно создать новый поток, который последовательно выполнит семь независимых перемножений подматриц, пока они не достигнут заданного размера. В таком случае количество потоков будет экспоненциально возрастать, а степень детализации вычислений, выполняемых каждым вновь образованным потоком, будет повышаться с уменьшением размера подматриц. Рассмотрим другой вариант – организацию пула из семи потоков, работающих одновременно и выполняющих по одному перемножению подматриц. По завершению работы пула потоков происходит рекурсивный вызов метода Штрассена для умножения подматриц (как и в последовательной версии программного кода). Если в системе, выполняющей такую программу, будет больше восьми процессорных ядер, часть из них будет простаивать.

Алгоритм перемножения матриц гораздо проще подвергать параллельному разделению с помощью тройного вложенного цикла. В этом случае применяется декомпозиция данных, при которой матрицы делятся на строки, столбцы или подматрицы, а каждый из потоков выполняет определённые вычисления. Реализация такого алгоритма осуществляется с помощью прагм OpenMP, вставляемых на каком-либо уровне цикла, или явной организацией потоков, выполняющих деление матриц. Для реализации этого более простого последовательного алгоритма потребуется гораздо меньше доработок в программном коде, по сравнению с реализацией многопоточного алгоритма Штрассена.

Итак, теперь вы знаете восемь несложных правил эффективного преобразования последовательного программного кода в параллельный. Следуя этим правилам, вы значительно быстрее создадите многопоточные решения, которые будут обладать повышенной надёжностью, оптимальной производительностью и меньшим количеством узких мест.

Чтобы вернуться на web-страницу учебных курсов по многопоточному программированию, перейдите по