Джонсон Харт - Системное программирование в среде Windows

Существуют многочисленные вариации этой модели, одной из которых является модель рабочей группы (work crew model), в которой рабочие потоки объединяют свои усилия для решения одной задачи, причем каждый отдельный поток выполняет свою небольшую часть работы. Модель рабочей группы используется в нашем следующем примере (рис. 7.2). Рабочие группы даже могут самостоятельно распределять работу между собой без получения каких-либо указаний со стороны главного потока. В многопоточных программах может быть применена практически любая из схем управления, разработанных для коллективов в человеческом обществе.

Рис. 7.2.Выполнение сортировки слиянием с использованием нескольких потоков

Двумя другими основными моделями являются модель "клиент/сервер" (client/server) (проиллюстрирована на рис. 7.1, а пример ее практической реализации рассматривается в главе 11) и конвейерная модель (pipeline model), в которой выполнение задания передается от одного потока к другому (пример многоступенчатого конвейера рассматривается в главе 10 и иллюстрируется на рис. 10.1).

При проектировании многопоточных систем эти модели обладают целым рядом преимуществ, к числу которых можно отнести следующие:

• Большинство проблем многопоточного программирования могут быть разрешены с использованием одной из стандартных моделей, облегчающих проектирование, разработку и отладку программ.

• Применение понятных и проверенных моделей не только позволяет избежать многих ошибок, которые легко допустить при написании многопоточных программ, но и способствует повышению производительности результирующих приложений.

• Эти модели естественным образом соответствуют структуре большинства обычных задач программирования.

• Программистам, сопровождающим программу, будет гораздо легче понять ее устройство, если она будет описана в документации на понятном языке.

• Находить неполадки в незнакомой программе гораздо легче, если ее можно анализировать в терминах моделей. Очень часто главную причину неполадок удается установить на основании видимых нарушений базовых принципов одной из моделей.

• Многие распространенные дефекты программ, например, нарушение условий состязаний задач и их блокирование, также можно описать с использованием простых моделей, к числу которых относятся эффективные методы использования объектов синхронизации, описанные в главах 9 и 10.

Эти классические модели потоков реализованы во многих ОС. В модели компонентных объектов (Component Object Model, COM), широко используемой во многих Windows-системах, применяется другая терминология, и хотя рассмотрение модели СОМ выходит за рамки данной книги, об этих моделях говорится в конце главы 11, где они сравниваются с другими примерами программ.

Этот пример демонстрирует возможности значительного повышения производительности за счет использования потоков, особенно в случае SMP-систем. Основная идея заключается в разбиении задачи на более мелкие составляющие, распределении выполнения подзадач между отдельными потоками и последующем объединении результатов для получения окончательного решения. Планировщик Windows автоматически назначит потокам отдельные процессоры, в результате чего задачи будут выполняться параллельно, снижая общее время выполнения приложения.

Эта стратегия, которую часто называют стратегией "разделяй и властвуй" (divide and conquer), или моделью рабочей группы (work crew model), оказалась весьма полезной и в качестве средства повышения производительности, и в качестве метода проектирования алгоритмов. Одним из примеров ее применения служит программа grepMT (программа 7.1), в которой для каждой файловой операции ввода/вывода и для поиска шаблона создается отдельный поток. Как показано в приложении B, в случае SMP-систем производительность повышается, поскольку планировщик может распределять выполнение потоков между различными процессорами.

Далее мы рассмотрим другой пример, в котором задача сортировки содержимого файла разбивается на ряд подзадач, выполнение которых делегируется отдельным потокам.

Решение задачи сортировки слиянием (merge-sort), в которой сортируемый массив разбивается на несколько массивов меньшего размера, является классическим примером алгоритма, построенного на принципе "разделяй и властвуй". Каждый из массивов небольшого размера сортируется по отдельности, после чего отсортированные массивы попарно объединяются с образованием отсортированных массивов большего размера. Описанное слияние массивов попарно осуществляется вплоть до завершения всего процесса сортировки. В общем случае, сортировка слиянием начинается с массивов размерности 1, которые сами по себе не нуждаются в сортировке. В данном примере сортировка начинается с массивов большей размерности, чтобы на каждый процессор приходилось по одному массиву. Блок-схема используемого алгоритма показана на рис. 7.2.